STEAM教学项目“可乐钢琴”由笔者独立设计。它以Arduino单片机为基础，当人体触摸7只铝质可乐罐就可以实现最简单的弹奏钢琴功能。
该项目运用STEAM理念，融合多学科知识，具有难度可分层、面向范围广、可扩展性强等特点。
“可乐钢琴”成品模型
STEAM要素
教学目标
在国外成熟的STEAM课程体系中，培养目标包含科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养等方面。STEAM教育活动是“以设计和探索为目的，通过解决对技术问题进行科学探索”。《普通高中通用技术课程标准（年版）》提出了五大核心素养：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力。可见，这两个体系的课程在目标方面高度相似。
通用技术学科是最适于融合STEAM教学理念的学科之一。对于“可乐钢琴”项目，笔者以STEAM教育理念为指导，结合通用技术课程标准，从教学现状出发，综合考虑不同学生的学习需求，进行分层设计。学生参与该项目技术学习和自主探究活动，经历从理解技术原理到自主绘图设计再到物化成为成品的过程，逐步形成利用技术手段实现创新设计的意识。
项目设计
考虑学校实际情况和学生能力的分层需求，笔者详细介绍两部分内容：第一部分是“可乐钢琴”项目中一课时的教学内容，相对独立；第二部分是“可乐钢琴”的原理与实现，主要涉及人体触碰检测的实现以及发出特定音阶的声音。
1.“认识串口”课程设计
本节课为“可乐钢琴”项目教学的过渡课，也是项目制作的重要内容之一。在传统的课程中，串口的讲解比较简单枯燥，编程语句简单容易一带而过，但在学生制作过程中对串口的理解和应用并不是很到位。教学中，笔者设计了趣味性较强的内容来帮助学生切实掌握串口传输知识。
（1）掌握串口通讯函数的应用。串口通讯在Arduino中的函数较为简单明确，易于上手——通过程序（voidsetup(){Serial.begin();}voidloop(){Serial.write(‘a’);}）即可不断发送字母a到串口，正确编写后打开右上方串口监视器即可体验成果。这对于学生建立初步的信心很有帮助。
（2）键盘钢琴软件应用于教学。笔者在本次教学中引入了两款软件：一是freepiano可调式键盘钢琴，通过电脑键盘按键即可实现弹奏音符功能，并且支持对每个按键代表的音符进行改编；二是一款串口转键盘的简易软件，可以直接将Arduino发送到串口中的字符转化为键盘输入，配合键盘钢琴可实现利用串口输入来弹响钢琴。笔者将课程内容与“可乐钢琴”项目主题直接联系，让学生在制作过程中学习技术，体验学习新技能的成就感。
（3）数字端口控制钢琴演奏。这一部分为课程核心内容。学生通过已掌握的数字端口输入输出的知识结合本次课的串口传输知识来制作按键钢琴。任务是通过面包板上的按钮让电脑响起对应音符。参考程序和面包板接线方式如图2所示。
学生正确完成接线和编程工作后可以实现按下开关电脑响起对应音符。对于掌握较快的学生，笔者提供更多的按钮让其继续编程，直到do、re、mi、fa、sol、la、xi这7个音符都可以独立按键控制。
（4）扩展内容：模拟端口控制钢琴演奏。学生能力存在差异是正常现象。笔者设计此项目时也为能力较强的学生提供了扩展内容——也是学生制作“可乐钢琴”会碰到的问题。制作“可乐钢琴”还有一个问题需要解决：7个音符需要7个数字端口，7盏LED灯又需要7个数字端口，但是Arduino的数字端口数量只有13个。
笔者将一个模拟端口当数字端口使用，让学生独立思考利用模拟端口读取信号和设置比较值从而控制串口输出的方法。该部分适用于能力较强的学生自主学习。在Arduino中将模拟端口当作数字端口来用是一种重要方法，在项目制作中非常实用。
2.“可乐钢琴”的原理与实现
在完成“认识串口”教学基础上，笔者进一步扩展教学内容，让学生参与“可乐钢琴”的学习与制作。在制作阶段，教师依然可以利用前述两款软件播放声音，减少学生研究较为复杂的音乐相关问题的时间，让他们将更多的精力放在可乐罐触碰检测电路上面。
（1）可乐罐触碰检测电路原理。该项目检测触碰可乐罐的电路原理是，利用一个非常大的上拉电阻（M欧姆以上）连接导电的可乐罐，当人同时触碰到可乐罐和接地线时，人体电阻较小（几千欧姆到1兆欧姆），端口由高电压状态转为低电压状态。
（2）“可乐钢琴”参考资料。笔者提供了详细的七音“可乐钢琴”制作资料。电路看似复杂，如果将其分解成一个个教学项目，其实很简单——对于欧姆电阻和LED灯，学生在Arduino教学第一课就已熟练掌握。M欧姆上拉电阻是新的内容，学生学习原理图后也不难掌握。接线工作看似复杂，其实学生根据这些原理重复操作7次就可实现对7个基本音符的控制。此外，从数字端口12引入到M欧姆上拉电阻的这个部分的程序与“认识串口”核心部分基本一致，不需要学生额外学习，而从模拟端口A0到A6引入到M欧姆电阻的部分是“认识串口”扩展内容的知识。整体参考程序则是教师提供的——简单易懂，将模拟口和数字端口控制示例分别复制和改写7次对应7个音符即可。
唯一添加的是曲调高低的调节部分，这是为了使制作的钢琴与市面上的钢琴更加接近，能弹奏更多音符——只需要将键盘钢琴软件中q和w对应的功能改变为曲调升高和曲调降低。程序的编写十分简单，不再赘述。通过一定时间的学习，学生都能掌握原理并制作出“可乐钢琴”。
如果学生热爱音乐，有一定的音乐知识基础，还可以将特定旋律存入数组，通过Arduino串口发送特定的字符排列，让电脑自动播放某段音乐，也是非常吸引人的。学生可自行研究。
3.发音原理与实现
通过电脑播放音乐十分美妙，很多学生期待脱离电脑的帮助，制作完全独立的由Arduino控制的“可乐钢琴”。为了实现这一目标，学生不仅需要回顾之前的知识，而且要创新设计，还要主动学习新的知识。在解决了触碰检测问题后，下一个要解决的问题就是如何制作发声装置。令人欣慰的是在Arduino的相关产品中蜂鸣器或喇叭可以帮助学生轻松实现发声功能。音乐发声的编程工作并不复杂，但需要学生提前学习与乐曲相关的音乐知识，从网上查询到每个音符对应的发声频率。笔者给出了编程示例：在定义部分，通过#define定义了从do到xi的7个音符以及它们的低音和高音分别对应的21种频率，“_h”代表高音，“_l”代表低音，通过tone()函数控制喇叭发声。
最后，介绍一下“外观制作”。作为一个升级版的“可乐钢琴”项目，学生肯定对散乱的接线和杂乱的可乐瓶看不顺眼，希望制作出一个钢琴架用来摆放可乐瓶，收纳控制板和各种导线。
笔者建议学生应用CAD软件绘图，然后通过激光切割设备加工制作木质或亚克力材质的可乐钢琴架。当然，如果不具备相关条件，也可以利用手动工具加工、制作木质琴架。用什么工具设备并不重要，重要的是学生的设计以及制作过程要周全考虑。
来源：中国知网
文章原名：
《STEAM理念下的通用技术教学项目设计——以“可乐钢琴”教学为例》，文章有删减
作者：
申大山清华大学附属中学
张桂凤北京市海淀区教师进修学校
转自：STEAM教师
原标题：《优秀STEAM案例
“可乐钢琴”制作》
