《用“芯”奏响东方红——制作自动弹奏乐器》教学案例

章红 江苏省海安市开发区实验学校

● 课程核心素养目标

①欣赏并自制乐器演奏《东方红》，千古编钟，让世界聆听礼乐中国，感受华夏正音、古人智慧，树立其文化自信；恰逢国庆，弹唱《今天是你的生日》，从音乐的美感中厚植学生爱国情怀和民族自豪感。（立德树人）

②学生经历“音符—编码—编程—音乐”的过程，采用计算机能够解决的方式来界定问题，抽象出问题的特征，建立项目结构模型，合理组织过程数据；学会将复杂问题分解，建立子程序概念，利用循环结构，完成程序搭建，并学会将其迁移到与其相关的其他问题解决中。（计算思维）

③在自制乐器的过程中，学生能够根据项目需求来解决问题，自觉、主动地寻求最佳的方式去获取和处理信息，愿意同小组成员共享信息，将信息运用发挥到最大价值。（信息意识）

④在数字化工具进行乐器创作过程中，学生对信息技术创新所产生的新事物，能够具备积极的学习态度和理性的价值判断能力，潜移默化地传承中国传统文化，塑造创造精神。（信息社会责任）

● 学业要求

①认识并掌握“舵机”工作原理与二自由度舵机控制方法。

②体会运用循环结构和数组进行机器人编程控制舵机。

● 教学内容分析

本课教学内容属于苏科版信息技术六年级“机器人技术”模块。主要知识点有三个：一是灵活掌握二自由度舵机的操控；二是掌握利用子程序及循环结构完成演奏乐曲程序搭建；三是利用“智能识谱”软件，通过识别图片并转化为所需数据后实现演奏功能，感受人工智能的优越性。这三点都是学生后续学习机器人的重要基础，因此本课教学对学生学习机器人的相关知识和技能有着重要的引领作用。

● 学情分析

六年级的学生已经具备了积木化编程基础，初步了解常用的舵机名称及作用，对人工智能充满了好奇和探索的欲望，本节课以曾侯乙编钟奏响《东方红》为背景，结合现代演奏手段，利用Mixly编程控制二自由度舵机击打琴键实现智能应用，体会解决真实生活问题的方法，体验创客的乐趣，感悟传统文化的美以及共同协作再现古老音符的魅力。

● 教学难点

理解并掌握自制乐器程序设计中循环结构和子程序调用方式及其参数设置。

● 教学策略分析

本课采用项目化学习方式，学习工程设计的进程，充分利用小组合作，还原古老音符，自制自动演奏机器人，小组联奏经典乐曲《东方红》；利用人工智能软件—智能识谱，合奏歌曲《今天是你的生日》。经历“音符—编码—编程—音乐”的过程，既获得知识的提升和能力的锻炼，又传承传统民族文化，增强爱国主义情怀。

● 教学准备

多媒体网络教室、Mixly软件、手敲琴器材、学生素材、导学单等。

● 教学过程

1.课前交流

师：欣赏由曾侯乙编钟演奏的《东方红》，感受华夏正音。对《东方红》、曾侯乙编钟，你们还知道些什么？

2.还原音符，明确项目

师：《东方红》是歌颂党和毛主席的歌曲，是中国精神的另一种代称，曾侯乙编钟代表中国古代礼乐文明和青铜器铸造的最高成就，曾侯乙编钟演奏的《东方红》，向全世界传递出华夏正音，这是属于中国人的自信和骄傲。小演奏师们，你想不想亲自来演奏一下？

学生对照乐谱，试一试，敲一敲。

师：根据刚才的试奏，你觉得有哪些不足需要继续努力呢？（学生回答）今天这节课，我们就一起利用机器人技术来制作自动弹奏乐器，弹奏出我们自己的东方红。

设计意图：设计能自动演奏《东方红》乐曲的乐器：由曾侯乙编钟演奏的《东方红》给学生带来音乐冲击，新老文明和谐共生，让学生体验自信和骄傲；在让学生亲自动手演奏并总结出三大问题后，明确了制作自动演奏乐器项目，主动激发学生研究的学习兴趣。

3.功能分解，构思规划

师：结合自己的弹奏，要实现自动弹奏乐器，我们需要哪些功能？

生：击打到位、找准音符、节拍精准、智能识谱。

小组讨论完成自动弹奏机器人的设计思维导图，如图1所示。

图1

师：水平舵机0～180度控制，垂直舵机抬起和击打角度控制，节拍和延时对应设置，人工智能识别。利用水平舵机转动找到音符，垂直舵机击打琴键，延时控制节拍时间，进行下一个音符。

设计意图：通过功能分解将项目细化，并针对各个功能研究出对应的解决思路方法，理清了项目实施解决框架，让学生领会分解任务是项目化学习中的重要基石，同时也是计算思维中的重要内容。

4.调试编码，知识提炼

①神龙摆尾：找准夹角。任务一：准确击打琴键；控制琴锤从180度旋转到0度再回到180度；抬起琴锤，完成导学单。

师：这个任务有几个动作？（击打琴键-舵机从左到右-舵机从右到左-抬起琴锤）如何找到最适合的击打角度呢？

学生尝试搭建脚本，寻找击打角度的方法，修改角度参数，上传程序并测试汇报。

师：神龙摆尾让我们准确找到了击打角度，并大幅度地调试了水平舵机，实现了神龙摆尾。

②一锤定音：探寻角度。

师：“哆”的理论角度是多少？180÷14×11≈141。尝试测试以下脚本，找出“哆”的实际角度。

任务二：利用寻找“哆”的方法，寻找其他音符的角度。

③音符编码。

师：计算机无法直接认识音符，可以先给音符编码，再让计算识别。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？（可以在此基础上加减来表示）

任务三：自主完成音符编码表（如表1）。

表1

④节拍延时对照表。利用编码表和延时对照表完成每小组的东方红数据编码。

⑤数据映射。当音符编码是“-2”时，我们应该在数组中如何表示呢？如下页表2所示，可从角度数组的第一个数据获得角度数值，相应地“-1”到2寻找，“1”到4寻找，编码数据要与度数的数组数据建立对应联系，这种方法称之为映射。

表2

设计意图：舵机使用和音符数据转换是本课的重难点之一。通过两个任务让学生熟悉舵机的使用；编码是音符与数据转化之间的纽带，数组是不同音符角度的获取途径，让学生体验从音符到数据再到数据与编程的逻辑关系，逐步感知自然数据到机器数字化的内在逻辑关系。

5.编程试奏，建模制作

①完善子程序。任务四：打开“用芯奏响东方红.mix”，根据导学单导入数据，修改“精准击打”（如图2）、“找准音符”（如图3）子程序。

图2

图3

②搭建主程序。建立三个数组，存储音符和对应的节拍时间，首先读取第一个音符和对应的节拍数值，水平舵机转动到对应的音符角度，然后垂直舵机完成一次击打，再进行节拍延时，接着依次读取下一个数据，一直到结束为止。

③合作奏响《东方红》。任务五：以小组为单位从第一组开始依次演奏，合成《东方红》。

设计意图：完善参数、完成敲击程序、了解利用循环结构演奏子程序、采集输入数据，最终成功演奏东方红，经历这一系列程序设计过程培养学生的计算思维，潜移默化根植其爱国主义情怀。

6.智能识谱，测试优化

师：《东方红》向全世界宣告，在伟大领袖毛主席的带领下，中国人民从此站起来了，中华民族屹立于世界的东方。作为炎黄子孙，我为我是中国人而自豪，这里有一首祖国的赞歌，想知道是什么歌曲吗？你能用学到的方法将其演奏出来吗？

学生尝试操作，导入《今天是你的生日》简谱图片，并识别转化成音符和节拍数据，将数据复制进数组，上传测试，并汇报演奏。

师：利用智能识谱，我们将简谱图片通过程序识别转化成需要的编码数据和时间数据，然后导入数据即可演奏出来，这就是人工智能的魅力。让我们再来一起演奏这首乐曲，会唱的一起唱起来。

设计意图：利用智能识谱程序，将图片数据转化为可供计算机识别的数据，再次让学生体验从图片到数据再到数据与编程的逻辑关系，同时也体验人工智能解决实际问题的魅力。

7.技术之美，文化自信

总结提升：今天我们从明确项目、构思规划、知识提炼到建模制作、测试优化，完成了自动乐器的初步制作，恭喜你们成功了，请给自己掌声！我们可以不断迭代优化，完善这件作品，这就是工程设计的过程。技术让我们听到了清脆悦耳的乐音，雄浑凝重的金石之声，展现了中华民族的古老文明，沿着这人间正音，祝福我们伟大的祖国繁荣富强，五星红旗下的中华民族永远屹立于世界的东方。

设计意图：将《东方红》自动演奏机器人的制作过程总结提炼，这样的工程设计过程为学生提供解决问题的步骤及方法，在民族乐音的感染下，激发出学生爱国情怀和昂扬斗志，使其不断努力，利用技术持续创作。

● 教学反思

在执教本节课的过程中，笔者希望通过教学，能让学生使用信息科技再现乐音、传播知识、传承文化，让学生在技术和文化中发展其信息素养。课程标准要求将中华传统文化有机融入课程，课堂伊始，笔者带领学生欣赏由曾侯乙编钟演奏《东方红》的视频。在观看这段视频后进行的交流中，可以看出学生满满的自豪和骄傲。趁着学生对中国古代敲击乐器的崇拜和兴趣，让学生进行第一次手敲体验。在弹奏完毕后学生结合手敲的不足提出能不能让设备自动弹奏。笔者顺势利导，出示课题：制作自动弹奏乐器，用“芯”奏响东方红。课程标准明确指出，要让学生知道数据编码的作用与意义，了解算法在解决问题过程中的作用，体会算法的价值。本课设置了“数据编码”任务，将学生比较熟悉的简谱与数字形成对应，进而对低音和高音进行扩展编码，从而将音符转化成计算机能理解的数据，让学生初步领会到了编码的含义及简单应用，也为其以后解决类似问题提供了一条可行的解决思路。循环结构的使用和子程序调用是程序教学的重要内容，也是学生在今后人工智能时代解决问题的常用方法，因此在主程序中，通过循环遍历数组，读出对应数据，通过调用子程序“找准音符”，映射到对应的角度，然后调用子程序“精准击打”，使用机器人模块到对应角度进行敲击，实现音符的再现，让学生不仅体验到了算法的魅力，也感受到了人工智能的强大。在本课中，将立德树人和信息科技深度融合，可以看出，课堂不再是冷冰冰的数据或者科技，而是呈现出了感情、温度。

点 评

《用“芯”奏响东方红——制作自动弹奏乐器》主要是利用机器人技术制作自动弹奏的乐器，实现奏响东方红歌曲的任务，它既可以看作是一个项目，也可以看作是一个工程设计，是一个系列课程，囊括了外形设计、琴键的摆布、琴柱的设计、舵机结构设计打印等内容。最终向大家呈现的是通过小组合作自动弹奏出《东方红》乐曲。

1.华夏正音厚植爱国情怀。本课的课堂立意很好地体现了课程理念——反映数字时代正确育人方向，借《东方红》这一经典歌曲，传承“东方红”所蕴含的中国精神，以曾侯乙编钟为引，利用信息技术再现华夏正音，奏响《东方红》歌曲，从而树立其文化自信，厚植其爱国情怀和民族自豪感，充分发挥了课程的育人功能，把立德树人的根本任务落到了实处。

2.项目学习促进思维成长。本课采用项目化学习方式，课堂伊始，先通过试玩，分析项目，把项目分析为击打到位、找准音符、节拍精准、智能识谱四个部分，并找出对应的技术解决思路，为后续技术学习做了铺垫。根据项目的分析，在项目的实施过程中，将本项目分解成“神龙摆尾”——准确找到夹角、“一锤定音”——找到了“哆”的角度数值并进行击打、“音符编码”——将音符转化成计算机能理解的数据、“节拍延时对照表”——延时数据、“数据映射”——数组序号与音符编码形成映射，让学生经历“音符—编码—编程—音乐”的过程，掌握解决问题的方法，同时让学生经历数字化作品制作的过程，锤炼其计算思维。

3.学科融合培育综合能力。在本课的学习中，通过项目任务的设置，很好地整合了其他相关的学科。欣赏曾侯乙编钟，融合了历史和语文学科，这是敲击的由来；东方红融合了思政和音乐学科，解决了敲乐曲的问题；乐器设计融合了科学、美术、3D设计，解决了乐器外形和击打设备的制作问题；程序控制融合了人工智能和程序设计，解决了准确击打的问题。整个项目是在完全小组合作的基础之上完成的，很好地体现合作学习的理念。