“樂(lè)”玩Python　制作記譜電子琴

徐自遠(yuǎn)

活動(dòng)背景

社會(huì)邁入智能化新時(shí)代，人才需求的變化對(duì)現(xiàn)代教育提出了“綜合性學(xué)習(xí)”的新要求。學(xué)校需要設(shè)計(jì)合理有效的科技教育活動(dòng)，以跨學(xué)科思維方式在實(shí)踐中解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，降低學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言的門(mén)檻，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。筆者自建的樹(shù)莓派工作平臺(tái)，前期已經(jīng)完成了電子學(xué)科與信息學(xué)科核心課程的融合，能有效降低學(xué)生的知識(shí)及技能門(mén)檻。本項(xiàng)目立足STEAM理念，建立了跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展基于項(xiàng)目的Python編程研究活動(dòng)，學(xué)生歷經(jīng)探究、設(shè)計(jì)、實(shí)施、分享等系列活動(dòng)，將自己對(duì)聲音原理、音樂(lè)編曲、電路制作和Python語(yǔ)言的理解綜合物化為個(gè)性化的“創(chuàng)意電子琴”，獲得了跨學(xué)科項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

活動(dòng)目標(biāo)

→知識(shí)與技能

理解聲音產(chǎn)生的原理，根據(jù)電聲轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)發(fā)聲電路，利用Python編程制作自動(dòng)奏樂(lè)的音樂(lè)盒，通過(guò)探究按鍵及GUI界面知識(shí)改進(jìn)制成自動(dòng)打譜電子琴。

→過(guò)程與方法

通過(guò)完整地經(jīng)歷從探究、構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制作到改進(jìn)、分享的實(shí)踐活動(dòng)，建立完整的多學(xué)科融合知識(shí)體系，提升解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力和綜合創(chuàng)新能力。

→情感態(tài)度與價(jià)值觀

設(shè)計(jì)遞進(jìn)的任務(wù)模塊，學(xué)生經(jīng)歷做中學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們主動(dòng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

活動(dòng)對(duì)象

→教師團(tuán)隊(duì)

Python課程教師作為主講教師，音樂(lè)教師和物理教師作為輔助，組建聯(lián)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

→學(xué)員構(gòu)成

依托科技創(chuàng)新社團(tuán)，面向高中1-3年級(jí)招收對(duì)Python應(yīng)用體驗(yàn)感興趣的同學(xué)。為保證活動(dòng)質(zhì)量，每期人數(shù)控制在20人以內(nèi)，以“老帶新”模式分為5個(gè)小組。

活動(dòng)內(nèi)容

→電子發(fā)生器的制作

復(fù)習(xí)聲學(xué)原理 學(xué)生撥動(dòng)鋼尺，發(fā)出聲音，了解聲音頻率與尺子長(zhǎng)短的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生探究影響聲音高低的因素，以及音調(diào)與聲源振動(dòng)頻率的關(guān)系;利用手機(jī)端調(diào)音軟件gStrings測(cè)量鋼尺發(fā)出的頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)鋼尺，在手機(jī)APP的幫助下找到標(biāo)準(zhǔn)音C調(diào)do音。通過(guò)物理課復(fù)習(xí)初中所學(xué)的聲學(xué)原理知識(shí)，并在實(shí)踐中學(xué)習(xí)聲音產(chǎn)生的原理，復(fù)習(xí)頻率與周期的關(guān)系。

讓機(jī)器發(fā)出聲音 教師講授無(wú)源峰鳴器與有源峰鳴器的區(qū)別，通過(guò)實(shí)物解析無(wú)源峰鳴器與有源蜂鳴器構(gòu)造的區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行蜂鳴器選型及工作電路的搭建;學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)PWM調(diào)制編程原理，使峰鳴器產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音;通過(guò)編程練習(xí)，讓峰鳴器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的lkHz、500Hz、250Hz的聲音，體會(huì)不同頻率聲音的差異。

→制作電子音樂(lè)盒

樂(lè)理基礎(chǔ) 通過(guò)音樂(lè)教師的講解，讓學(xué)生了解各音調(diào)的頻率，以及樂(lè)曲中節(jié)奏、節(jié)拍與時(shí)間的關(guān)系;通過(guò)幾首經(jīng)典樂(lè)曲，讓學(xué)生識(shí)讀簡(jiǎn)譜，并在歌唱中了解樂(lè)曲組成。

制作經(jīng)典音樂(lè)盒引導(dǎo)學(xué)生利用PWM函數(shù)編程發(fā)出各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音符，并利用sleep函數(shù)控制每個(gè)音的長(zhǎng)短;通過(guò)小組討論和查閱資料，根據(jù)《我和我的祖國(guó)》簡(jiǎn)譜，分析每個(gè)音的頻率和時(shí)長(zhǎng)，編程制作音樂(lè)盒。

→制作我的電子琴

制作我的電子琴 了解按鍵內(nèi)部機(jī)械構(gòu)成，在LED課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵為L(zhǎng)ED亮度增加，另一個(gè)按鍵為L(zhǎng)ED亮度減少，并為這2個(gè)按鍵配音。讓學(xué)生利用7個(gè)獨(dú)立按鍵制作不同音調(diào)的電子琴，讓學(xué)生利用只有7個(gè)按鍵的電子琴演奏《我和我的祖國(guó)》，結(jié)果由于按鍵太少無(wú)法完成演奏，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，制作16個(gè)按鍵的電子琴。學(xué)生發(fā)現(xiàn)直接添加獨(dú)立按鍵，樹(shù)莓派上I/O口不夠，經(jīng)過(guò)討論與查閱資料，將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槔镁仃嚢存I在減少1/0口的基礎(chǔ)上完成16按鍵電子琴的制作，同時(shí)也對(duì)程序進(jìn)行了修改。

觸摸屏電子琴制作參考黑白鋼琴按鍵，利用Python Tkinter模塊中的canvas畫(huà)布制作觸摸屏電子琴;教師通過(guò)讓學(xué)生熟練掌握循環(huán)語(yǔ)句，使其體會(huì)精簡(jiǎn)代碼的優(yōu)點(diǎn)，完成黑白按鍵圖形化界面程序的編寫(xiě)。

→悅耳電子琴制作

學(xué)生在前面的項(xiàng)目實(shí)踐中普遍都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：為什么自己制作的電子琴聲音沒(méi)有真正的電子琴好聽(tīng)？

借助音又及其他一些樂(lè)器，教師給各小組布置任務(wù)，測(cè)量各種樂(lè)器發(fā)出聲音的波形，并將其顯示出來(lái)。在音樂(lè)教師的提醒下，學(xué)生先將音又的聲音錄下來(lái)，然后利用goldwave軟件打開(kāi)音頻文件，顯示出一個(gè)很標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。各小組分別測(cè)量了長(zhǎng)笛，小提琴，木吉他等多種樂(lè)器。學(xué)生將蜂鳴器發(fā)出的聲波錄音，放入音頻軟件分析后發(fā)現(xiàn)，蜂鳴器發(fā)出聲音的波形有很多毛刺。

與物理教師、電子教師討論后，學(xué)生總結(jié)出峰鳴器聲音不好聽(tīng)的原因如下：①驅(qū)動(dòng)峰鳴器的信號(hào)為電平信號(hào)，即方波信號(hào)，所含的高頻分量過(guò)多，聲音聽(tīng)起來(lái)會(huì)比較尖銳刺耳;②蜂鳴器發(fā)聲單元沒(méi)有共鳴腔，聲音很單薄;③驅(qū)動(dòng)電壓均為正向電壓，沒(méi)有較好的功放電路。改進(jìn)方案為：①不用方波產(chǎn)生音頻信號(hào)，改用DAC產(chǎn)生音頻;②蜂鳴器的物理結(jié)構(gòu)無(wú)法產(chǎn)生悅耳的音樂(lè)，改用揚(yáng)聲器播放聲音。

最終，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生利用樹(shù)莓派上的3.5 mm音頻接口輸出way格式的音樂(lè)。通過(guò)手機(jī)將音樂(lè)教室的各音調(diào)鋼琴聲錄制成wav音頻格式，再利用Pythoii程序調(diào)用這些wav文件，演奏出來(lái)的樂(lè)曲變得悅耳動(dòng)聽(tīng)起來(lái)。

→制作能自動(dòng)記錄樂(lè)譜的電子琴

編曲原理 編寫(xiě)輸出樂(lè)譜需要一定的編曲知識(shí)，音樂(lè)教師教授與活動(dòng)相關(guān)的簡(jiǎn)譜編曲樂(lè)理知識(shí)。

能夠自動(dòng)記錄樂(lè)譜的電子琴 學(xué)生通過(guò)云班課平臺(tái)中的學(xué)習(xí)資料自學(xué)Python文件存儲(chǔ)編程方法，制作各式各樣的自動(dòng)打譜電子琴。

→分享并彈奏作品

音樂(lè)教師逐一彈奏學(xué)生制作的電子琴，并給出評(píng)價(jià)。在音樂(lè)教師即興彈奏音樂(lè)的過(guò)程中，設(shè)備也將教師彈奏的樂(lè)曲實(shí)時(shí)記錄了下來(lái)，變成了譜子。物理教師和電子教師從原理上分析可以改進(jìn)的地方，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)完善作品，并鼓勵(lì)學(xué)生將作品帶回家與父母分享。

該項(xiàng)目參與了第35屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科教創(chuàng)新成果線上交流活動(dòng)8DEFFD9F-AA71-4C2B-80C7-30F96F8F5308