Programmeren van een Theremin

Een Theremin, genoemd naar zijn uitvinder Léon Theremin, is een elektronisch instrument dat kan bespeeld worden zonder het instrument aan te raken. Maar wist je dat je met wat intelligente elektronica ook zelf zo'n instrument kan maken?

Links met leerplan

Technologie
Fysica
Wiskunde
Informaticawetenschappen
STEM
Kunstvakken

Vaardigheden

Ontwerpen en bouwen van een eenvoudige schakeling
Probleemoplossend werken
Samenwerken

Leeftijd

Indien men kiest voor grafisch programmeren: 11 - 14 jaar
Indien men kiest voor tekstueel programmeren: 13 - 17 jaar

Tijdsduur

Om vlot te kunnen werken zijn een 3-tal aaneensluitende uren vereist voor het programmeergedeelte. Indien dit niet mogelijk is kan het project ook uitgevoerd worden over minstens zes verschillende lesuren (met bijvoorbeeld telkens een week tussenpauze).

Deze opdracht kan ook uitgevoerd worden in een STE(A)M-context. In dit geval moet men naast het programmeergedeelte voldoende tijd nemen voor het bespreken van de context, het ontwerpen van de Theremin enz...

Materiaal

In ons voorbeeld maken we gebruik van (1) een microcontroller, (2) een buzzer voor het afspelen van het geluid, (3) een sonar-sensor voor het detecteren van een voorwerp of persoon. Per twee à drie leerlingen is dus het volgende materiaal nodig:

Dwenguino-bord met o.a. een on-board microcontroller en luidspreker;
Sonar-sensor;
USB-kabel;
Computer met Arduino IDE met eventueel Dwenguino Blockly;

Daarnaast kan knutselmateriaal handig zijn om het geheel een mooie vorm te geven (link met kunstvakken).

In de praktijk

In een schoolse context kan je het bouwen van de Theremin gemakkelijk opdelen in een aantal hapklare uitdagingen. We overlopen ze hier in het kort maar onderaan deze pagina vind je twee boekjes met gedetailleerde uitleg:

Uitdaging 1 - 1-2-3 piano: Het doel van deze uitdaging is om een leuke tekst op het LCD-scherm te schrijven. Op deze manier maken de leerlingen kennis met de Dwenguino, Arduino IDE en de concepten een programma en functies.
Uitdaging 2 - programmeerbare toetsen: Het doel van deze uitdaging is de leerlingen kennis te maken met de selectie (if...else...). Dit doen ze door de Dwenguino te laten reageren op toetsaanslagen. Hiervoor zijn verschillende toetsen voorzien op het Dwenguino-bord zelf.
Uitdaging 3 - een pentatonisch instrument: Een pentatonisch instrument is een instrument dat werkt met vijf tonen. Met zo'n instrument kan je reeds tal van liedjes spelen. Door de concepten uit uitdaging 2 herhaaldelijk toe te passen kan je elk van de vijf drukknoppen laten reageren met een geluid dat uit de luidspreker komt.
Uitdaging 4 - de sonar-sensor: Met de sonar-sensor kan de afstand tot een object of persoon bepaald worden. Hiervoor stuurt de sensor een ultrasoon geluidssignaal uit. Indien er een voorwerp binnen bereik is dan zal deze ultrasone geluidsgolf op dit voorwerp weerkaatsen. In deze uitdaging moeten de leerlingen de sonar-sensor aan de Dwenguino koppelen. Vervolgens moeten zij deze programmeren. Hiervoor wordt het concept variabele aangebracht.
Uitdaging 5 - de Theremin: In de laatste opdracht wordt gevraagd om de Dwenguino te programmeren zodat er een toon afgespeeld wordt in functie van de met de sonar-sensor gemeten afstand.

Discussie

Het Theremin project kan je doen in de klas als integraal STE(A)M project (Science, Technology, Engineering, Art en Mathematics), of als los project om de beginselen van het programmeren en elektronica uit te leggen. In dit project voor beginners kozen we er bewust voor om de link te maken met kunst. Op school kan dit door het project te koppelen aan andere vakken zoals bijvoorbeeld plastische opvoeding, tekenen, architecturale vorming of esthetica. Uit ervaring weten we dat je op die manier veel meer leerlingen zich aangesproken zullen voelen. Bovendien eindig je met een resultaat dat je kan tentoonstellen op bijvoorbeeld een opendeurdag.

Een mogelijke didactische aanpak bestaat erin om de leerlingen per 2 à 3 te laten samenwerken en per lesuur een nieuwe uitdaging voor te schotelen gekoppeld aan een specifieke leerdoelstelling. Door de uitdagingen te doorlopen, komen de leerlingen dichter en dichter bij de realisatie. Het is motiverend en ontroerend om te zien hoe de leerlingen hun successen vieren.

Het grootste aandachtspunt voor de leerkracht bestaat erin om net genoeg informatie te geven zodat de leerlingen zo zelfstandig mogelijk tot een oplossing kunnen komen. Het onderkennen van die zone van naaste ontwikkeling is van groot belang om ervoor te zorgen dat de leerlingen gemotiveerd blijven. Als leerkracht mag je ook niet te veel informatie geven zodat de leerlingen intellectueel geprikkeld blijven.

Lesmateriaal

In ons boekje Van start met Dwenguino vind je een uitgebreide uitleg over het bouwen van een Theremin in de klas. Er zijn twee versies:

Het boekje Van start met Dwenguino via de programmeertaal C++ geeft een introductie in tekstueel programmeren en bevat een meer technische uitleg voor wie extra diepgang wil;
Het boekje Van start met Dwenguino via Google Blockly geef een introductie tot grafisch programmeren.