《用“芯”奏響東方紅——制作自動(dòng)彈奏樂器》教學(xué)案例

章紅 江蘇省海安市開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)學(xué)校

● 課程核心素養(yǎng)目標(biāo)

①欣賞并自制樂器演奏《東方紅》，千古編鐘，讓世界聆聽禮樂中國，感受華夏正音、古人智慧，樹立其文化自信；恰逢國慶，彈唱《今天是你的生日》，從音樂的美感中厚植學(xué)生愛國情懷和民族自豪感。（立德樹人）

②學(xué)生經(jīng)歷“音符—編碼—編程—音樂”的過程，采用計(jì)算機(jī)能夠解決的方式來界定問題，抽象出問題的特征，建立項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模型，合理組織過程數(shù)據(jù)；學(xué)會(huì)將復(fù)雜問題分解，建立子程序概念，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)，完成程序搭建，并學(xué)會(huì)將其遷移到與其相關(guān)的其他問題解決中。（計(jì)算思維）

③在自制樂器的過程中，學(xué)生能夠根據(jù)項(xiàng)目需求來解決問題，自覺、主動(dòng)地尋求最佳的方式去獲取和處理信息，愿意同小組成員共享信息，將信息運(yùn)用發(fā)揮到最大價(jià)值。（信息意識(shí)）

④在數(shù)字化工具進(jìn)行樂器創(chuàng)作過程中，學(xué)生對信息技術(shù)創(chuàng)新所產(chǎn)生的新事物，能夠具備積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和理性的價(jià)值判斷能力，潛移默化地傳承中國傳統(tǒng)文化，塑造創(chuàng)造精神。（信息社會(huì)責(zé)任）

● 學(xué)業(yè)要求

①認(rèn)識(shí)并掌握“舵機(jī)”工作原理與二自由度舵機(jī)控制方法。

②體會(huì)運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)和數(shù)組進(jìn)行機(jī)器人編程控制舵機(jī)。

● 教學(xué)內(nèi)容分析

本課教學(xué)內(nèi)容屬于蘇科版信息技術(shù)六年級“機(jī)器人技術(shù)”模塊。主要知識(shí)點(diǎn)有三個(gè)：一是靈活掌握二自由度舵機(jī)的操控；二是掌握利用子程序及循環(huán)結(jié)構(gòu)完成演奏樂曲程序搭建；三是利用“智能識(shí)譜”軟件，通過識(shí)別圖片并轉(zhuǎn)化為所需數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)演奏功能，感受人工智能的優(yōu)越性。這三點(diǎn)都是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)機(jī)器人的重要基礎(chǔ)，因此本課教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)和技能有著重要的引領(lǐng)作用。

● 學(xué)情分析

六年級的學(xué)生已經(jīng)具備了積木化編程基礎(chǔ)，初步了解常用的舵機(jī)名稱及作用，對人工智能充滿了好奇和探索的欲望，本節(jié)課以曾侯乙編鐘奏響《東方紅》為背景，結(jié)合現(xiàn)代演奏手段，利用Mixly編程控制二自由度舵機(jī)擊打琴鍵實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，體會(huì)解決真實(shí)生活問題的方法，體驗(yàn)創(chuàng)客的樂趣，感悟傳統(tǒng)文化的美以及共同協(xié)作再現(xiàn)古老音符的魅力。

● 教學(xué)難點(diǎn)

理解并掌握自制樂器程序設(shè)計(jì)中循環(huán)結(jié)構(gòu)和子程序調(diào)用方式及其參數(shù)設(shè)置。

● 教學(xué)策略分析

本課采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的進(jìn)程，充分利用小組合作，還原古老音符，自制自動(dòng)演奏機(jī)器人，小組聯(lián)奏經(jīng)典樂曲《東方紅》；利用人工智能軟件—智能識(shí)譜，合奏歌曲《今天是你的生日》。經(jīng)歷“音符—編碼—編程—音樂”的過程，既獲得知識(shí)的提升和能力的鍛煉，又傳承傳統(tǒng)民族文化，增強(qiáng)愛國主義情懷。

● 教學(xué)準(zhǔn)備

多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、Mixly軟件、手敲琴器材、學(xué)生素材、導(dǎo)學(xué)單等。

● 教學(xué)過程

1.課前交流

師：欣賞由曾侯乙編鐘演奏的《東方紅》，感受華夏正音。對《東方紅》、曾侯乙編鐘，你們還知道些什么？

2.還原音符，明確項(xiàng)目

師：《東方紅》是歌頌黨和毛主席的歌曲，是中國精神的另一種代稱，曾侯乙編鐘代表中國古代禮樂文明和青銅器鑄造的最高成就，曾侯乙編鐘演奏的《東方紅》，向全世界傳遞出華夏正音，這是屬于中國人的自信和驕傲。小演奏師們，你想不想親自來演奏一下？

學(xué)生對照樂譜，試一試，敲一敲。

師：根據(jù)剛才的試奏，你覺得有哪些不足需要繼續(xù)努力呢？（學(xué)生回答）今天這節(jié)課，我們就一起利用機(jī)器人技術(shù)來制作自動(dòng)彈奏樂器，彈奏出我們自己的東方紅。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)能自動(dòng)演奏《東方紅》樂曲的樂器：由曾侯乙編鐘演奏的《東方紅》給學(xué)生帶來音樂沖擊，新老文明和諧共生，讓學(xué)生體驗(yàn)自信和驕傲；在讓學(xué)生親自動(dòng)手演奏并總結(jié)出三大問題后，明確了制作自動(dòng)演奏樂器項(xiàng)目，主動(dòng)激發(fā)學(xué)生研究的學(xué)習(xí)興趣。

3.功能分解，構(gòu)思規(guī)劃

師：結(jié)合自己的彈奏，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)彈奏樂器，我們需要哪些功能？

生：擊打到位、找準(zhǔn)音符、節(jié)拍精準(zhǔn)、智能識(shí)譜。

小組討論完成自動(dòng)彈奏機(jī)器人的設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，如圖1所示。

圖1

師：水平舵機(jī)0～180度控制，垂直舵機(jī)抬起和擊打角度控制，節(jié)拍和延時(shí)對應(yīng)設(shè)置，人工智能識(shí)別。利用水平舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)找到音符，垂直舵機(jī)擊打琴鍵，延時(shí)控制節(jié)拍時(shí)間，進(jìn)行下一個(gè)音符。

設(shè)計(jì)意圖：通過功能分解將項(xiàng)目細(xì)化，并針對各個(gè)功能研究出對應(yīng)的解決思路方法，理清了項(xiàng)目實(shí)施解決框架，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)分解任務(wù)是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的重要基石，同時(shí)也是計(jì)算思維中的重要內(nèi)容。

4.調(diào)試編碼，知識(shí)提煉

①神龍擺尾：找準(zhǔn)夾角。任務(wù)一：準(zhǔn)確擊打琴鍵；控制琴錘從180度旋轉(zhuǎn)到0度再回到180度；抬起琴錘，完成導(dǎo)學(xué)單。

師：這個(gè)任務(wù)有幾個(gè)動(dòng)作？（擊打琴鍵-舵機(jī)從左到右-舵機(jī)從右到左-抬起琴錘）如何找到最適合的擊打角度呢？

學(xué)生嘗試搭建腳本，尋找擊打角度的方法，修改角度參數(shù)，上傳程序并測試匯報(bào)。

師：神龍擺尾讓我們準(zhǔn)確找到了擊打角度，并大幅度地調(diào)試了水平舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)了神龍擺尾。

②一錘定音：探尋角度。

師：“哆”的理論角度是多少？180÷14×11≈141。嘗試測試以下腳本，找出“哆”的實(shí)際角度。

任務(wù)二：利用尋找“哆”的方法，尋找其他音符的角度。

③音符編碼。

師：計(jì)算機(jī)無法直接認(rèn)識(shí)音符，可以先給音符編碼，再讓計(jì)算識(shí)別。假如就用1、2、3、4、5、6、7表示do、re、mi、fa、sol、la、si，那么高音、低音如何表示呢？（可以在此基礎(chǔ)上加減來表示）

任務(wù)三：自主完成音符編碼表（如表1）。

表1

④節(jié)拍延時(shí)對照表。利用編碼表和延時(shí)對照表完成每小組的東方紅數(shù)據(jù)編碼。

⑤數(shù)據(jù)映射。當(dāng)音符編碼是“-2”時(shí)，我們應(yīng)該在數(shù)組中如何表示呢？如下頁表2所示，可從角度數(shù)組的第一個(gè)數(shù)據(jù)獲得角度數(shù)值，相應(yīng)地“-1”到2尋找，“1”到4尋找，編碼數(shù)據(jù)要與度數(shù)的數(shù)組數(shù)據(jù)建立對應(yīng)聯(lián)系，這種方法稱之為映射。

表2

設(shè)計(jì)意圖：舵機(jī)使用和音符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是本課的重難點(diǎn)之一。通過兩個(gè)任務(wù)讓學(xué)生熟悉舵機(jī)的使用；編碼是音符與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化之間的紐帶，數(shù)組是不同音符角度的獲取途徑，讓學(xué)生體驗(yàn)從音符到數(shù)據(jù)再到數(shù)據(jù)與編程的邏輯關(guān)系，逐步感知自然數(shù)據(jù)到機(jī)器數(shù)字化的內(nèi)在邏輯關(guān)系。

5.編程試奏，建模制作

①完善子程序。任務(wù)四：打開“用芯奏響東方紅.mix”，根據(jù)導(dǎo)學(xué)單導(dǎo)入數(shù)據(jù)，修改“精準(zhǔn)擊打”（如圖2）、“找準(zhǔn)音符”（如圖3）子程序。

圖2

圖3

②搭建主程序。建立三個(gè)數(shù)組，存儲(chǔ)音符和對應(yīng)的節(jié)拍時(shí)間，首先讀取第一個(gè)音符和對應(yīng)的節(jié)拍數(shù)值，水平舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到對應(yīng)的音符角度，然后垂直舵機(jī)完成一次擊打，再進(jìn)行節(jié)拍延時(shí)，接著依次讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)，一直到結(jié)束為止。

③合作奏響《東方紅》。任務(wù)五：以小組為單位從第一組開始依次演奏，合成《東方紅》。

設(shè)計(jì)意圖：完善參數(shù)、完成敲擊程序、了解利用循環(huán)結(jié)構(gòu)演奏子程序、采集輸入數(shù)據(jù)，最終成功演奏東方紅，經(jīng)歷這一系列程序設(shè)計(jì)過程培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，潛移默化根植其愛國主義情懷。

6.智能識(shí)譜，測試優(yōu)化

師：《東方紅》向全世界宣告，在偉大領(lǐng)袖毛主席的帶領(lǐng)下，中國人民從此站起來了，中華民族屹立于世界的東方。作為炎黃子孫，我為我是中國人而自豪，這里有一首祖國的贊歌，想知道是什么歌曲嗎？你能用學(xué)到的方法將其演奏出來嗎？

學(xué)生嘗試操作，導(dǎo)入《今天是你的生日》簡譜圖片，并識(shí)別轉(zhuǎn)化成音符和節(jié)拍數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)數(shù)組，上傳測試，并匯報(bào)演奏。

師：利用智能識(shí)譜，我們將簡譜圖片通過程序識(shí)別轉(zhuǎn)化成需要的編碼數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入數(shù)據(jù)即可演奏出來，這就是人工智能的魅力。讓我們再來一起演奏這首樂曲，會(huì)唱的一起唱起來。

設(shè)計(jì)意圖：利用智能識(shí)譜程序，將圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)，再次讓學(xué)生體驗(yàn)從圖片到數(shù)據(jù)再到數(shù)據(jù)與編程的邏輯關(guān)系，同時(shí)也體驗(yàn)人工智能解決實(shí)際問題的魅力。

7.技術(shù)之美，文化自信

總結(jié)提升：今天我們從明確項(xiàng)目、構(gòu)思規(guī)劃、知識(shí)提煉到建模制作、測試優(yōu)化，完成了自動(dòng)樂器的初步制作，恭喜你們成功了，請給自己掌聲！我們可以不斷迭代優(yōu)化，完善這件作品，這就是工程設(shè)計(jì)的過程。技術(shù)讓我們聽到了清脆悅耳的樂音，雄渾凝重的金石之聲，展現(xiàn)了中華民族的古老文明，沿著這人間正音，祝福我們偉大的祖國繁榮富強(qiáng)，五星紅旗下的中華民族永遠(yuǎn)屹立于世界的東方。

設(shè)計(jì)意圖：將《東方紅》自動(dòng)演奏機(jī)器人的制作過程總結(jié)提煉，這樣的工程設(shè)計(jì)過程為學(xué)生提供解決問題的步驟及方法，在民族樂音的感染下，激發(fā)出學(xué)生愛國情懷和昂揚(yáng)斗志，使其不斷努力，利用技術(shù)持續(xù)創(chuàng)作。

● 教學(xué)反思

在執(zhí)教本節(jié)課的過程中，筆者希望通過教學(xué)，能讓學(xué)生使用信息科技再現(xiàn)樂音、傳播知識(shí)、傳承文化，讓學(xué)生在技術(shù)和文化中發(fā)展其信息素養(yǎng)。課程標(biāo)準(zhǔn)要求將中華傳統(tǒng)文化有機(jī)融入課程，課堂伊始，筆者帶領(lǐng)學(xué)生欣賞由曾侯乙編鐘演奏《東方紅》的視頻。在觀看這段視頻后進(jìn)行的交流中，可以看出學(xué)生滿滿的自豪和驕傲。趁著學(xué)生對中國古代敲擊樂器的崇拜和興趣，讓學(xué)生進(jìn)行第一次手敲體驗(yàn)。在彈奏完畢后學(xué)生結(jié)合手敲的不足提出能不能讓設(shè)備自動(dòng)彈奏。筆者順勢利導(dǎo)，出示課題：制作自動(dòng)彈奏樂器，用“芯”奏響東方紅。課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，要讓學(xué)生知道數(shù)據(jù)編碼的作用與意義，了解算法在解決問題過程中的作用，體會(huì)算法的價(jià)值。本課設(shè)置了“數(shù)據(jù)編碼”任務(wù)，將學(xué)生比較熟悉的簡譜與數(shù)字形成對應(yīng)，進(jìn)而對低音和高音進(jìn)行擴(kuò)展編碼，從而將音符轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生初步領(lǐng)會(huì)到了編碼的含義及簡單應(yīng)用，也為其以后解決類似問題提供了一條可行的解決思路。循環(huán)結(jié)構(gòu)的使用和子程序調(diào)用是程序教學(xué)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生在今后人工智能時(shí)代解決問題的常用方法，因此在主程序中，通過循環(huán)遍歷數(shù)組，讀出對應(yīng)數(shù)據(jù)，通過調(diào)用子程序“找準(zhǔn)音符”，映射到對應(yīng)的角度，然后調(diào)用子程序“精準(zhǔn)擊打”，使用機(jī)器人模塊到對應(yīng)角度進(jìn)行敲擊，實(shí)現(xiàn)音符的再現(xiàn)，讓學(xué)生不僅體驗(yàn)到了算法的魅力，也感受到了人工智能的強(qiáng)大。在本課中，將立德樹人和信息科技深度融合，可以看出，課堂不再是冷冰冰的數(shù)據(jù)或者科技，而是呈現(xiàn)出了感情、溫度。

點(diǎn) 評

《用“芯”奏響東方紅——制作自動(dòng)彈奏樂器》主要是利用機(jī)器人技術(shù)制作自動(dòng)彈奏的樂器，實(shí)現(xiàn)奏響東方紅歌曲的任務(wù)，它既可以看作是一個(gè)項(xiàng)目，也可以看作是一個(gè)工程設(shè)計(jì)，是一個(gè)系列課程，囊括了外形設(shè)計(jì)、琴鍵的擺布、琴柱的設(shè)計(jì)、舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打印等內(nèi)容。最終向大家呈現(xiàn)的是通過小組合作自動(dòng)彈奏出《東方紅》樂曲。

1.華夏正音厚植愛國情懷。本課的課堂立意很好地體現(xiàn)了課程理念——反映數(shù)字時(shí)代正確育人方向，借《東方紅》這一經(jīng)典歌曲，傳承“東方紅”所蘊(yùn)含的中國精神，以曾侯乙編鐘為引，利用信息技術(shù)再現(xiàn)華夏正音，奏響《東方紅》歌曲，從而樹立其文化自信，厚植其愛國情懷和民族自豪感，充分發(fā)揮了課程的育人功能，把立德樹人的根本任務(wù)落到了實(shí)處。

2.項(xiàng)目學(xué)習(xí)促進(jìn)思維成長。本課采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式，課堂伊始，先通過試玩，分析項(xiàng)目，把項(xiàng)目分析為擊打到位、找準(zhǔn)音符、節(jié)拍精準(zhǔn)、智能識(shí)譜四個(gè)部分，并找出對應(yīng)的技術(shù)解決思路，為后續(xù)技術(shù)學(xué)習(xí)做了鋪墊。根據(jù)項(xiàng)目的分析，在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，將本項(xiàng)目分解成“神龍擺尾”——準(zhǔn)確找到夾角、“一錘定音”——找到了“哆”的角度數(shù)值并進(jìn)行擊打、“音符編碼”——將音符轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)、“節(jié)拍延時(shí)對照表”——延時(shí)數(shù)據(jù)、“數(shù)據(jù)映射”——數(shù)組序號(hào)與音符編碼形成映射，讓學(xué)生經(jīng)歷“音符—編碼—編程—音樂”的過程，掌握解決問題的方法，同時(shí)讓學(xué)生經(jīng)歷數(shù)字化作品制作的過程，錘煉其計(jì)算思維。

3.學(xué)科融合培育綜合能力。在本課的學(xué)習(xí)中，通過項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)置，很好地整合了其他相關(guān)的學(xué)科。欣賞曾侯乙編鐘，融合了歷史和語文學(xué)科，這是敲擊的由來；東方紅融合了思政和音樂學(xué)科，解決了敲樂曲的問題；樂器設(shè)計(jì)融合了科學(xué)、美術(shù)、3D設(shè)計(jì)，解決了樂器外形和擊打設(shè)備的制作問題；程序控制融合了人工智能和程序設(shè)計(jì)，解決了準(zhǔn)確擊打的問題。整個(gè)項(xiàng)目是在完全小組合作的基礎(chǔ)之上完成的，很好地體現(xiàn)合作學(xué)習(xí)的理念。