纸上钢琴师

申大山

《晋书·乐志》说：“是以闻其宫声，使人温良而宽大；闻其商声，使人方廉而好义; 闻其角声，使人倾隐而仁爱; 闻其徵声，使人乐养而好使；闻其羽声，使人恭俭而好礼。”足以说明音乐中的“五音”能对人们产生积极作用。音乐是一种语言，可以深入内心，很难想象没有了音乐的世界会变成什么样子。在信息时代，电子乐器的出现大大扩展了音乐的种类。随着技术的不断发展和更新换代，电子乐器的制作难度也大大降低，对于中学生而言，借助简单电路与编程制作电子乐器已经是触手可及的事情。本项目以创意电子乐器为主题，综合运用乐器发声知识与编程技术，使用Arduino 开源硬件进行电子乐器的设计与制作，提升学生的合作能力、跨学科解决实际问题的能力，培养学生的科学思维和创新精神。

项目设计

本项目以创意电子乐器为主题，综合运用知识与技术，使用Arduino 开源硬件进行电子乐器的制作。项目注重学生电子乐器的创意生成、产品设计与产品实现的过程，全面提升学生跨学科解决问题的能力。通过了解不同种类的乐器，引导学生思考电子乐器的应用场景和设计理念；学习Arduino 单片机的使用方法、利用蜂鸣器发声；通过触摸检测函数实现人体触碰识别功能，为创意的实现提供技术支持；选择合适的材料和加工工具制作电子乐器外观，组装制作成品，并进行演奏测试，针对发现的问题进行优化。引导学生对电子乐器的功能进行改进与调试，最后对装置进行优化迭代，提高学生的信息分析能力和实践能力，培养批判性思维和创新思维。

项目分析

本项目主要针对中学生和具备一定编程知识基础与动手能力的学生设计开发，在使用过程中，可以针对不同学生设定不同的项目目标，重点在于培养学生跨学科知识的学习能力和解决复杂问题的能力，并尝试引入新技术（激光切割、3D 打印）的学习与应用，培养学生的实验探究与创新意識，提升学生的创新设计能力和物化能力。项目实施过程中，除了完成项目内容本身，同时重视解决问题形成的路径对设计方案的沉淀，期望可以引导学生关注相关学科知识在生活中的应用。对于不同层次的学生，其项目活动的开放度、成果呈现形式等应该有所区别，教师可结合实际情况灵活调整，编程可改换为图形化编程。项目实施扩展性强，从最简单的纸上钢琴，到手工制作的立体乐器，再到通过先进加工技术制作电子乐器产品，都可以根据硬件条件与课时安排实施。

项目实施

任务1：电子乐器初探

引导学生查阅相关资料，了解电子乐器的概念和特点，认识电子乐器与传统乐器的区别；引导学生观看网络上各种乐器的视频，初步掌握乐器的发声原理和基本的乐理知识；组织学生开展互助活动，鼓励具备传统乐器演奏经验的学生传授乐器演奏技巧，指导学生掌握基本的乐器演奏技巧；引导学生通过对比传统乐器与电子乐器的结构，思考乐器发声的本质，进一步思考电子乐器如何实现电能到声音的转化过程。

任务2：Arduino 电子乐器技术

引导学生查阅相关资料， 了解常用的开源硬件Arduino 的原理；指导学生学习Arduino 的基本操作方法，实现简单的音符发音练习：外接1 个蜂鸣器或压电陶瓷喇叭，通过编程控制喇叭发出523 Hz 的声音，对应高音Do的发声。指导学生通过修改程序迅速完成音乐发声部分的制作，鼓励学生设计自动弹奏歌曲的功能。指导学生熟练掌握Arduino 的操作技能，实现与人交互，即检测人的特定动作然后发出对应音符。引导学生通过外接按键开关、温度传感器、激光传感器等多种传感器实现各种方式的交互，拓展学生的视野，激发学生的创造力。

任务3：电子乐器创新设计

引导学生根据已掌握的电子乐器知识与技能，寻找合适的应用场景，明确限制因素，针对场景进行设计。鼓励学生突破原有乐器结构的思维定式，根据使用环境和弹奏方式创新乐器结构。引导学生在规定时间内单人构思，初步完成1 份设计方案，然后组内讨论所有成员的设计方案，综合分析优缺点，互相参考设计理念，形成小组方案，并在纸上或电子文档上通过合理的绘图方式展现设计方案。引导学生展示小组设计方案，通过质疑、可行性分析等环节后，进一步优化设计，形成最终的电子乐器设计方案。

任务4：创意乐器制作与优化

指导学生按照小组设计方案，利用木板、瓦楞纸板、KT 板、硬纸板等材料和工具制作个性化电子乐器；指导学生对电子乐器的发声功能进行测试，调试发声效果，反复验证，优化设计。以纸上钢琴为例：在纸张上利用导电胶带制作钢琴的琴键，将导线连接到Arduino 的端口，利用开源函数readCapacitivePin（） 设计不同的琴键音调。通过电容式人体触摸检测的方式，产生电容变化，经Arduino识别后控制喇叭发声，实现电子纸上钢琴发声。

任务5：演奏展示与评价

组织学生开展成果展示活动，鼓励学生在舞台上演奏自己的电子乐器；鼓励学生阐述电子乐器的设计理念，分享电子乐器设计与制作过程中的故事和心得。组织学生从电子乐器的结构设计、美观性、创新性、演奏效果等方面展开评价；鼓励学生从参与程度、团队合作、表达能力等方面开展自评和互评，总结并反思项目过程中出现的问题及解决问题的经验。