简易激光琴制作项目

项目简述

本项目的主题是通过使用面包板、Arduino UNO R3开发板、光敏电阻、小扬声器等零件，制作一个简易激光琴。其原理是：当激光直射光敏电阻时，光敏电阻阻值变小，从而激活扬声器，发出特定音阶的乐音。本项目旨在培养学生解决问题和动手实践的能力。

项目背景

2017年10月，中国科学技术馆2017年中国流动科技馆在益阳市安化县举行了一次科技展览。我带领益阳市安化县长塘镇克明学校“小创客”社团的部分学生去参观了展览。展览中，学生觉得激光琴（如图1）很有意思，一个个争着去“弹奏”。“小创客”社团的学生大多学习过机器人课程，对无弦激光琴的原理有一定了解，但要制作无弦激光琴还存在一定的难度。我觉得这个方向很好，可以做成一个研究项目。于是，我利用课余时间带领学生开动脑筋、收集信息、准备材料，自己动手制作一个简易的激光琴。

项目目标

一、知识与技能：了解光敏电阻的工作原理；学习使用面包板搭接简单的电路；通过使用mBlock软件编写程序，设置Arduino开发板控制扬声器发声。

二、过程与方法：通过网络搜索资料、查找范例、学习制作方法，初步确定设计方案；通过小组合作，调整结构设计与程序设计，解决问题，实现项目目标。

三、情感态度与价值观：通过项目学习，培养数字化生存能力；通过动手实践，体验制作之乐和创造之趣。

项目研究过程

一、研读展示说明，获取关键信息

设计目的：让学生阅读关键信息，从整体上把握项目要求、原理和注意事项。

我向学生展示了参观时所拍摄的展品说明文字的图片，让他们将原文输入到Word文档中，仔细研读：

试一试：拨动“琴弦”，聆听美妙的音乐。

想一想：为什么无弦激光琴能发声呢？

在无弦琴上方有多个激光器，下方对应处装有光电接收器，当拨动激光“琴弦”时，手指就遮住了这束激光，触发了相应的光电传感器，使音响系统发出对应的乐音。连续拨动“琴弦”，就可以听到美妙的琴声。激光光束发散度极小，亮度极高，单色性极好，能量集中，在工业、农业、医疗、通信以及军事和生活等领域有广泛的应用。

温馨提示：眼睛不要正对激光，以防灼伤。

二、查阅相关资料，获取借鉴案例

设计目的：培养学生从网络中检索到有价值的信息资源的自主能力。

在浏览器中进入百度搜索，输入关键词“激光琴”，搜索到855000个相关结果。通过对前几页有价值的信息进行分析浏览，选择了以下两篇文章。

参考案例1：百度贴吧的《自制激光琴成功》，链接：http：//tieba.baidu.com/p/4515056042

由文中的图片（如图2）可知，该激光琴由PCB板、单片机系统、光敏电阻、激光器构成。

文后有网友的精彩评论：看起来容易，做起来难。光固定元器件就是一件不容易的事。

启发：这条帖子提供的激光琴的照片结构完整，各个部件布局合理，很有参考价值。缺点是仿制难度比较大，焊接工作量大，质量难以保证。

参考案例2：百度文库中《激光琴研究与探索》，链接：https：//wenku.baidu.com/view/cd96b08ab1

4e852458fb57a7.html

特点：该论文详细描述了激光琴的工作原理和部件组成。

启发：该论文中的控制器是51单片机，我们创客空间只学习了Arduino单片机。为了使用图形化编程系统，降低难度，我们制作时采用Arduino UNO R3开发板。

通过查阅资料，我们对激光琴的基本原理、构造与部件有了基本的了解。

三、原理机制分析与匹配设备查找

设计目的：通过小组讨论的方式，引导学生科学地分析问题，探讨解决问题的可行性方案，并进行验证。

功能分析：无弦激光琴的演奏原理具体可以分解为以下方面。

1.信息输入——激光的有与无。

2.信息接收——光敏电阻受光照影响产生阻值的变化。

3.信息处理与控制——微型计算机处理系统。

4.信息输出——将处理器处理后的电信号转化为乐音。

为了实现上述功能，需要相关的物理组件，但是展品上的说明没有进行具体标号与说明，只能在分析各组件的功能后自己去匹配。因为目的只是演示相关的功能原理，所以不必与展品完全一致，或者说根据功能描述重新设计一套可实现的制作文案。

信息输入设备——使用激光器（图3）。

信息接收设备——使用光敏电阻（图4）。

信息处理与控制——使用Arduino UNO R3（图5）。

信息输出——使用8欧0.5W的小喇叭（图6）。

项目制作中的问题与解决方案

一、结构设计

在制作过程中，我们发现参考案例1中的龙门架式的支架制作起来比较困难，需要将光敏电阻与激光发射器精准对齐，要求比较高。然后开始设想使用木条结构，由于缺少打孔的工具，否定了这个方案；后来又想到了使用3D打印支架结构，但学校创客空间的3D打印机精度低，打印的支架不实用，于是也否定这个方案。最后，我们干脆放弃龙门架结构，只使用面包板固定光敏电阻，使用教学用的手执激光笔来作为激光发射器，这个方案能更方便地制作出演示激光琴原理装置，但是成品将不能体验拨弦的动作。电池、喇叭、面包板和Arduino板都使用魔術贴固定在透明的PVC盒子里，方便移动展示。最终结构如图7。

二、功能设计

在参考案例2中，设计的激光管和光敏电阻是8对，可是Arduino UNO R3板只有6个A0-A5模拟输出接口。因为本项目主要是演示原理，所以对光敏电阻进行了精简，并对应编程设置出Do、Re、Mi、Fa、So五个音阶，当激光笔照射到光敏电阻上就激发对应音阶的乐音。

三、程序设计

程序采用mBlock积木式编程工具进行编程，代码如图8。

小结与反思

一、学生的小结与反思

经过多次努力和不断完善，终于把一个简易的激光琴做好了。由于各方面的原因，这个激光琴与案例1、案例2及在流动科技馆中看到的激光琴有区别，但是基本原理是一样的，也能通过移动激光笔照射不同的光敏电阻来激发声音。要想做出功能更完善的激光琴，还需要掌握更多的机械、电子、工程、设计等方面的知识与技能。这个活动让我们真正体会到了什么是知易行难：把一个想法物化出来需要很多跨学科的知识与技能，在今后的创客教育课程中要更努力、更认真地学习。

二、教师的小结与反思

通过案例谈谈对中小学创客教育的几点体会。

1.创客教育要讲好一个故事

首先是题材新颖，有创意。知之者不如好之者，好之者不如乐之者。创客教育选择的项目要能吸引学生并有教育价值，比如航模、车模、海模、剪纸、陶艺、机器人制作等活动。

然后是情节要紧凑，可操作性强。创客实践项目要大小适当，跨学科，知识与技能的数量和难度在可接受和可操作范围内。在教育部近期发布的综合实践活动指导纲要中，推荐的活动有很多都非常适合作为创客教育的项目。

最后是结局完美，能达成项目最终目标。任务目标设计如同跳一跳就能摘得到的桃子，虽然有一定的难度，但是集中各种资源、综合各种能力最终能解决问题，并且在目标达成的过程中培养学生的创新能力和实践能力。

如果开展一项创客教育活动后，学生乐于谈论学习经历，甚至迫切地希望展示自己的成果，那么本次创客教育的故事就讲好了。

2.创客教育是一种新型学习模式

“做中学”“在制造中学”“基于問题的学习”“基于项目的学习”“基于设计的学习”“情景学习”等学习方式，都是创客教育实施的方式。创客教育是学会高效学习并学习解决问题的跨学科的教育形式。跨界是其明显的特征，因此各科教师可以大胆跨界，做一个教育创客，激发教育教学的活力。

3.创客教育的目的——激发创新意识，培养实践能力

创客教育与传统教育模式并不冲突，而是很好地补充了传统的分科教育。创客教育并非只是为了传授将来从事某些工作的知识与技能的教学，而是在于激发创新意识和培养实践能力。