使用樂高積木和樹莓派建構音樂

核心概念

本文介紹了一個使用改裝樂高積木、結合樹莓派的互動式音樂創作系統，讓兒童和成人能以直觀、有趣的方式創作音樂。

摘要

系統概述

本文介紹了一個創新的互動式音樂演示器，使用者可以利用樂高積木輕鬆直觀地創作帶和弦伴奏的旋律和打擊樂。該系統主要面向兒童設計，但也適用於老年人的治療性心理運動訓練。

系統組成

此系統由三個主要部分組成：

1. 同步盒： 為整個系統提供同步訊號，產生 MIDI 時鐘訊號，確保音樂創作的節奏同步。
2. 節奏盒： 創造伴奏旋律的打擊樂節奏基底，使用者可以透過按鈕組合，直觀地編排節奏。
3. 旋律盒： 負責創作旋律和伴奏和弦，使用者利用改裝過的樂高積木堆疊來設定音高和選擇和弦。

每個部分都由獨立的樹莓派 (RPI) 控制，並透過 MIDI 線纜連接，使用標準 MIDI 協定進行資料通訊。

系統特色

• 模組化設計： 可以單獨使用節奏盒或旋律盒，或者組合使用完整系統。
• 直觀易用： 基於樂高積木的設計理念，讓使用者可以輕鬆上手，快速創作音樂。
• 互動性強： 使用者可以即時聽到創作的音樂，並透過調整積木組合來改變音樂效果。

系統應用

• 音樂學習： 為兒童和成人提供一個有趣且易於理解的音樂創作學習工具。
• 職能治療： 幫助老年人進行心理運動和認知訓練。
• 自閉症兒童治療： 促進自閉症兒童的音樂創作和社交互動。

系統評價

該系統在 Transfiere 2020 展會上獲得了極大的成功，參觀者對其簡單易用和互動性讚不絕口。音樂專業人士認為該系統有助於音樂學習，而普通使用者則認為它具有娛樂性和教育意義。

系統未來發展

未來可以考慮擴展系統功能，例如：

• 增加 BPM 參數設定的硬體介面。
• 支援更多音樂元素和更長旋律的創作。
• 開發更多樣化的應用場景。

統計資料

系統允許的最高 BPM 值為 208，受限於樹莓派的處理時間。
旋律盒使用 MCP3008 類比數位轉換器將樂高積木堆疊的高度轉換為對應的音高。
每個音符對應的電阻值範圍由公式 (1) 和 (2) 計算得出。

引述

"The target audience is especially children, but it can also be used with elder people to train in therapeutic psychomotricity."
"The system was tested by many of the attendees at Transfiere 2020, since it attracted a lot of attention as it was generating music continuously and its main means of interaction was the Lego pieces."
"The general feeling of all participants was that the system was useful for learning music in a very entertaining way."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Building music with Lego bricks and Raspberry Pi

by Ana M. Barba... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13224.pdf

深入探究

除了音樂創作，這個系統還能應用於哪些教育或治療領域？

除了音樂創作，這個系統在教育和治療領域還有很多潛在的應用：
教育領域:

STEAM 教育: 這個系統可以作為 STEAM 教育的一個很好的教具，將音樂、科學、技術、工程和數學等學科知識融合在一起。學生們在搭建樂高積木和創作音樂的過程中，可以學習到電路、編程、聲學等方面的知識，並培養他們的創造力和解決問題的能力。
特殊教育: 對於有學習障礙或自閉症譜系障礙的兒童來說，這個系統可以作為一種有效的學習工具。樂高積木的搭建可以幫助他們提高精細動作技能和空間推理能力，而音樂創作則可以促進他們的創造力和情感表達。
音樂啟蒙: 這個系統可以作為幼兒音樂啟蒙的工具，讓他們在玩樂中學習音樂的基本知識，例如音高、節奏、和聲等。
治療領域:

音樂治療: 音樂治療師可以使用這個系統為患者提供個性化的音樂治療方案。患者可以通過搭建樂高積木和創作音樂來表達情感、緩解壓力、改善認知功能等。
職能治療: 職能治療師可以使用這個系統幫助患者恢復精細動作技能、協調能力和認知功能。樂高積木的搭建和音樂創作都需要手眼協調和空間推理能力，可以有效地訓練患者的這些能力。
老年人認知訓練: 這個系統可以作為老年人認知訓練的工具，幫助他們保持和改善記憶力、注意力、執行功能等。
總之，這個基於樂高積木和樹莓派的音樂創作系統具有廣泛的應用前景，可以應用於教育、治療、娛樂等多個領域，為不同年齡和需求的人群提供幫助。

如果使用者缺乏音樂理論基礎，這個系統是否依然能夠幫助他們創作出悅耳的音樂？

即使使用者缺乏音樂理論基礎，這個系統依然能夠幫助他們創作出悅耳的音樂。

直觀易懂的設計: 系統採用樂高積木作為音樂創作的媒介，將抽象的音樂元素轉化為具體可操作的積木搭建，使用者可以通過直觀的方式理解音高、節奏、和聲等音樂概念，无需學習复杂的乐理知识。
即時回饋的機制: 使用者搭建完樂高積木後，系統會立即將其轉化為音樂播放出來，讓使用者可以直觀地聽到自己的創作，並根據需要進行調整，這種即時回饋的機制可以幫助使用者在不斷嘗試和探索中找到悅耳的音樂組合。
預設的音樂素材: 系統可以內建一些預設的音樂素材，例如和聲走向、節奏パターン等，使用者可以根據自己的喜好選擇使用，即使不了解音樂理論，也可以利用這些素材創作出悅耳的音樂。
當然，如果使用者具備一定的音樂理論基礎，可以更好地利用這個系統進行創作。例如，他們可以根據自己的音樂知識，設計更複雜的和聲走向和節奏パターン，創作出更具個人風格的音樂作品。
總之，這個系統的設計理念是降低音樂創作的門檻，讓所有人都可以享受音樂創作的樂趣。即使使用者缺乏音樂理論基礎，也可以利用這個系統創作出悅耳的音樂。

如何將人工智慧技術融入這個系統，使其能夠根據使用者的創作提供更智慧化的指導和建議？

將人工智慧 (AI) 技術融入這個系統，可以大幅提升其智慧化程度，為使用者提供更個人化、更有效的指導和建議。以下是一些可行的方向：

音樂生成與推薦: 可以利用 AI 模型，例如循環神經網絡 (RNN) 或生成對抗網絡 (GAN)，學習大量的音樂數據，並根據使用者的創作風格和當前輸入，實時生成和推薦合適的旋律、和聲或節奏。例如，當使用者搭建完一段旋律後，系統可以根據音樂風格自動生成一段和聲進行，或者推薦一些與之匹配的節奏パターン。
音樂評估與分析: 可以訓練 AI 模型評估使用者創作的音樂片段，分析其音樂性，例如旋律流暢度、和聲合理性、節奏穩定性等，並提供具體的改進建議。例如，系統可以識別出使用者創作的旋律中是否存在跳進過大或不協和的音程，並給出修改建議。
個性化學習路徑: 可以利用 AI 技術追蹤使用者的學習進度和創作習慣，分析他們的優勢和不足，並據此動態調整學習內容和難度，提供個性化的學習路徑和目標。例如，系統可以根據使用者創作的音樂作品，判斷其對音樂理論的掌握程度，並推薦相應的學習資源。
音樂風格遷移: 可以利用 AI 技術，例如風格遷移模型，將使用者創作的音樂片段轉換成不同的音樂風格，例如古典、爵士、流行等，讓使用者體驗不同風格的音樂創作，並從中學習和借鑒。
通過整合 AI 技術，這個系統可以從一個單純的音樂創作工具，進化成一個具有智慧化輔導功能的音樂學習平台，為使用者提供更豐富、更有效的學習體驗，激發他們的音樂潛能。