開源硬件之合做電子琴

學習背景

指導思想

STEAM教育和創客教育是近幾年來在全球日益盛行的教育新模式，旨在培養學生的科學思維和藝術修養。教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》指出：要“有效利用信息技術推進‘眾創空間’建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識”。

2017版課程標準提出：通過學習，學生能獲得未來發展、終身學習、美好生活和擔當民族復興大任所必需的學科核心素養，成為有理念、會設計、能動手、善創造的社會主義建設者和接班人。

基于開源硬件的項目設計與開發有益于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力，同時也是在信息技術課程中實現STEAM教育的理想方法。通過學習利用開源硬件及相關資料，讓學生體驗“合做電子琴”的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創新能力。

通過“合做電子琴”項目學習（PBL），綜合運用STEAM教育理論，跨學科融合。游戲化的教學方式，充分調動學生的積極性，實現“做中學”，提高學生綜合素養。

教學內容分析

本課屬于校本課程“創意生活+”中“智能硬件模塊”，主題是“合做電子琴”。共3課時，本課為第2課時，在第1課時中我們介紹了觸摸傳感器以及條件語句。本節課的目標是利用蜂鳴器，基本實現演奏簡單曲子，例如《小星星》。在第3課時，會進一步延伸，引入硬件喇叭，讓琴的聲音更好聽，3D打印讓琴的外殼更美觀。通過由淺入深的學習，最終完成一個產品化的電子琴。

學習者分析

1.教學對象：中學生盡管升學壓力較大，但對“創意生活+”校本課程學習的主動性較高。

2.學習者心理特征：（1）處于青春期階段，“成人感”與“幼稚性”并存；（2）已具備一定的自主學習能力和分析解決問題能力。

3.知識儲備：雖然已經是中學生，但大多數學生從未接觸過編程和硬件，無程序設計基礎。

教學目標

知識與技能

1.通過讀寫例程，學習Mixly編程環境，理解蜂鳴器工作原理、條件語句及“且”邏輯。

2.通過學習“電子琴”制作的算法與程序，提高動手操作和計算思維能力。

情感態度與價值觀

學生經歷小組合作共同設計、制作、演奏個性電子琴的過程，增強溝通、表達和物化能力，享受造物的樂趣。

教學重難點及解決方法

教學重點

蜂鳴器的發聲原理，程序設計的條件語句、“且”邏輯語句。

教學難點

用“且”邏輯設計控制傳感器發音的算法。

解決方法

本節課教師采用“基于產品的項目式”的學習方式，制訂導學案和逐步遞進的學習任務鏈，幫助學生以小組形式通過“學案導學”完成分步小任務，層層深入，最終完成本組的“產品”。

本節課設計了5個學習任務：1.認識蜂鳴器。2.用一個觸摸傳感器控制蜂鳴器發一個音。3.用三個觸摸傳感器分別控制蜂鳴器發出三個不同音。4.用三個觸摸傳感器分別控制蜂鳴器發出六個不同音。5.制作簡易電子琴并練習演奏。

教師課前準備好導學案，給出蜂鳴器發聲原理的例程。課上學生邊讀程序，邊動手實驗驗證，調節頻率，使蜂鳴器發出不同音節。給出“且”邏輯語句例程，學生模仿例程編寫程序，突破難點。

案例詳解

一、創設情境

教師播放《上學歌》音頻，并提問是否聽過此曲，請一位學生跟著節奏哼唱。通過《上學歌》引發學生興趣，從而引出要探究的問題。

二、簡譜基礎知識

教師通過PPT，給出《上學歌》的簡譜。問：“你認識簡譜嗎？”“你能唱出簡譜嗎？”并請一位學生唱曲譜。調動課堂氣氛，引出簡譜知識。

教師介紹簡譜知識：音符下面的小圓點，叫低音點，它表示將音調降低了一個八度。音符上面的小圓點，叫高音點，它表示將音調升高了一個八度。一拍為一秒。不加節拍符號的音符為一拍，例如“1”代表發出一秒鐘“do”的聲音。下面有一道線的音符為半拍，例如“1”代表發出半秒鐘“do”的聲音。后面跟有一道線的意思是增加一拍。

三、合做電子琴（實踐操作）

本項目的設計意在鍛煉學生自主學習能力和組內合作分工意識，在做中培養邏輯思維和程序設計思維、產品意識。整個項目過程中，教師只輔助答疑。

學生自主學習學案進階任務，試著先用1個觸摸傳感器控制蜂鳴器，回答問題：蜂鳴器靠什么調音？示例程序是什么結構？（順序、循環、條件）

學生合做電子琴，自主處理五個學習任務。

1.認識蜂鳴器（如圖1）

在執行器中找到圖形化語句（如圖2）上傳到主板上。

代碼分析：

void loop（ ）

{

tone（BuzzerPin6，200）；

}

試著改變頻率的值，聽聽聲音有什么變化。

蜂鳴器靠調節輸出頻率來表示不同音符，Mixly里已經給出了各個旋律的頻率值。

2.用一個觸摸傳感器控制蜂鳴器，使其發出中音“do”

學生通過簡單小程序，理解蜂鳴器的發聲原理，并復習條件語句“如果”。“如果”模塊是程序設計的選擇結構。

參考程序如圖3。

3.用三個觸摸傳感器分別控制蜂鳴器發出中音“do、re、mi”

參考程序如圖4（這是兩個傳感器的，學生需要自己做出三個的程序），學會運用多分支結構。

4.用三個觸摸傳感器分別控制蜂鳴器發出中音“do、re、mi、sol、la”

邏輯里面的“且”運算，可以實現當兩個傳感器同時按下時，蜂鳴器輸出一種聲音。根據參考程序，完成本組的電子琴，這是進階任務中最難的任務。（如圖5）

5.用紙盒子制作電子琴，練習合作《上學歌》

學生在設計電子琴外觀上，體驗美感與個性化。在合作練習曲子時，體驗相互協作的重要性。用游戲化的方式，玩中學，學中玩。

四、分享交流

教師組織學生上臺演奏、分享經驗，并相互評價。培養學生的溝通交流和表達能力，增強學生的項目意識、產品意識，相互學習。

教師在黑板列出表格，組織學生評出演奏最棒組、制作最精美組。

五、改進作品

未完成作品的小組根據其他組分享的經驗，邀請上一環節表現優秀的學生進行協助，在教師和優秀學生的輔助下完成本組作品。已完成作品的小組修改作品并繼續美化電子琴，研究練習演奏技巧。

六、歸納總結

教師提問：今天都學了什么？我們還能怎么玩？

教師幫助學生梳理本節課所學，和學生一起總結：簡譜的基礎知識；程序的條件語句、“且”邏輯；蜂鳴器靠頻率輸出不同音調；合作制作電子琴；組內合奏。

七、拓展任務：合奏新樂曲

教師提問：此曲譜內需要多少音符？需要怎樣修改程序？為了演奏效果更好聽，我們可以把蜂鳴器換成什么硬件？

本任務意在鞏固本節課所學知識與技能，進一步熟悉程序設計和智能硬件，并引出第3課時要講的喇叭、SD讀取等知識點。