“乐”玩Python 制作记谱电子琴

徐自远

活动背景

社会迈入智能化新时代，人才需求的变化对现代教育提出了“综合性学习”的新要求。学校需要设计合理有效的科技教育活动，以跨学科思维方式在实践中解决现实问题，降低学习Python语言的门槛，提升学生学习兴趣。笔者自建的树莓派工作平台，前期已经完成了电子学科与信息学科核心课程的融合，能有效降低学生的知识及技能门槛。本项目立足STEAM理念，建立了跨学科教学团队，开展基于项目的Python编程研究活动，学生历经探究、设计、实施、分享等系列活动，将自己对声音原理、音乐编曲、电路制作和Python语言的理解综合物化为个性化的“创意电子琴”，获得了跨学科项目开发经验。

活动目标

→知识与技能

理解声音产生的原理，根据电声转换原理设计发声电路，利用Python编程制作自动奏乐的音乐盒，通过探究按键及GUI界面知识改进制成自动打谱电子琴。

→过程与方法

通过完整地经历从探究、构想、设计、制作到改进、分享的实践活动，建立完整的多学科融合知识体系，提升解决现实问题的能力和综合创新能力。

→情感态度与价值观

设计递进的任务模块，学生经历做中学习、合作学习，培养他们主动分析问题、解决问题的能力，激发学生的创新热情，提升学生的科学素养。

活动对象

→教师团队

Python课程教师作为主讲教师，音乐教师和物理教师作为辅助，组建联合教学团队。

→学员构成

依托科技创新社团，面向高中1-3年级招收对Python应用体验感兴趣的同学。为保证活动质量，每期人数控制在20人以内，以“老带新”模式分为5个小组。

活动内容

→电子发生器的制作

复习声学原理 学生拨动钢尺，发出声音，了解声音频率与尺子长短的关系，引导学生探究影响声音高低的因素，以及音调与声源振动频率的关系;利用手机端调音软件gStrings测量钢尺发出的频率。通过调节钢尺，在手机APP的帮助下找到标准音C调do音。通过物理课复习初中所学的声学原理知识，并在实践中学习声音产生的原理，复习频率与周期的关系。

让机器发出声音 教师讲授无源峰鸣器与有源峰鸣器的区别，通过实物解析无源峰鸣器与有源蜂鸣器构造的区别，引导学生进行蜂鸣器选型及工作电路的搭建;学生通过学习PWM调制编程原理，使峰鸣器产生不同音调的声音;通过编程练习，让峰鸣器发出标准的lkHz、500Hz、250Hz的声音，体会不同频率声音的差异。

→制作电子音乐盒

乐理基础 通过音乐教师的讲解，让学生了解各音调的频率，以及乐曲中节奏、节拍与时间的关系;通过几首经典乐曲，让学生识读简谱，并在歌唱中了解乐曲组成。

制作经典音乐盒引导学生利用PWM函数编程发出各个标准音符，并利用sleep函数控制每个音的长短;通过小组讨论和查阅资料，根据《我和我的祖国》简谱，分析每个音的频率和时长，编程制作音乐盒。

→制作我的电子琴

制作我的电子琴 了解按键内部机械构成，在LED课程学习的基础上设计2个按键，一个按键为LED亮度增加，另一个按键为LED亮度减少，并为这2个按键配音。让学生利用7个独立按键制作不同音调的电子琴，让学生利用只有7个按键的电子琴演奏《我和我的祖国》，结果由于按键太少无法完成演奏，教师引导学生进入下一环节，制作16个按键的电子琴。学生发现直接添加独立按键，树莓派上I/O口不够，经过讨论与查阅资料，将实验目标转变为利用矩阵按键在减少1/0口的基础上完成16按键电子琴的制作，同时也对程序进行了修改。

触摸屏电子琴制作参考黑白钢琴按键，利用Python Tkinter模块中的canvas画布制作触摸屏电子琴;教师通过让学生熟练掌握循环语句，使其体会精简代码的优点，完成黑白按鍵图形化界面程序的编写。

→悦耳电子琴制作

学生在前面的项目实践中普遍都发现了一个问题：为什么自己制作的电子琴声音没有真正的电子琴好听？

借助音又及其他一些乐器，教师给各小组布置任务，测量各种乐器发出声音的波形，并将其显示出来。在音乐教师的提醒下，学生先将音又的声音录下来，然后利用goldwave软件打开音频文件，显示出一个很标准的正弦波。各小组分别测量了长笛，小提琴，木吉他等多种乐器。学生将蜂鸣器发出的声波录音，放入音频软件分析后发现，蜂鸣器发出声音的波形有很多毛刺。

与物理教师、电子教师讨论后，学生总结出峰鸣器声音不好听的原因如下：①驱动峰鸣器的信号为电平信号，即方波信号，所含的高频分量过多，声音听起来会比较尖锐刺耳;②蜂鸣器发声单元没有共鸣腔，声音很单薄;③驱动电压均为正向电压，没有较好的功放电路。改进方案为：①不用方波产生音频信号，改用DAC产生音频;②蜂鸣器的物理结构无法产生悦耳的音乐，改用扬声器播放声音。

最终，在教师的指导下，学生利用树莓派上的3.5 mm音频接口输出way格式的音乐。通过手机将音乐教室的各音调钢琴声录制成wav音频格式，再利用Pythoii程序调用这些wav文件，演奏出来的乐曲变得悦耳动听起来。

→制作能自动记录乐谱的电子琴

编曲原理 编写输出乐谱需要一定的编曲知识，音乐教师教授与活动相关的简谱编曲乐理知识。

能够自动记录乐谱的电子琴 学生通过云班课平台中的学习资料自学Python文件存储编程方法，制作各式各样的自动打谱电子琴。

→分享并弹奏作品

音乐教师逐一弹奏学生制作的电子琴，并给出评价。在音乐教师即兴弹奏音乐的过程中，设备也将教师弹奏的乐曲实时记录了下来，变成了谱子。物理教师和电子教师从原理上分析可以改进的地方，引导学生继续完善作品，并鼓励学生将作品带回家与父母分享。

该项目参与了第35届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科教创新成果线上交流活动8DEFFD9F-AA71-4C2B-80C7-30F96F8F5308