移動學習類軟件的設計與開發*
——以模擬鋼琴為例

蔡莉，呂蘭，左繼蓉

（1.云南大學軟件學院，云南昆明650091；2.云南大學網絡與信息中心，云南昆明650091）

移動學習類軟件的設計與開發*
——以模擬鋼琴為例

蔡莉1，呂蘭1，左繼蓉2

（1.云南大學軟件學院，云南昆明650091；2.云南大學網絡與信息中心，云南昆明650091）

本文在對移動學習概念和特點進行闡述的基礎上，基于Android平臺設計并開發了一款多功能電子鋼琴學習軟件OPiano。通過OPiano提供的普通模式，初學者可以了解鋼琴的一些基本樂理知識，而學習模式則提供了較為真實的鋼琴模擬環境，讓用戶能夠通過觸摸屏幕享受彈奏鋼琴的樂趣。OPiano的開發不僅豐富了安卓應用軟件的種類，而且向初學者學習鋼琴的相關知識和培養興趣提供了一種便捷、有效的途徑。

移動學習；電子鋼琴；平板電腦；安卓平臺

一、引言

移動學習（Mobile Learning），是指基于手持終端的學習、閱讀、娛樂等文化消費行為。［1］廣義上的手持終端，包括手機、PDA、學習機、PSP、MP3、MP4等設備。隨著智能手機和平板電腦等智能移動終端的普及，移動學習已成為一種重要的學習模式，具有靈活性、便攜性、交互性、個性化和廣泛性等特點。［2］由于移動學習可以跨越地域限制，充分利用可攜帶技術；同時，借助智能終端提供的多點觸控、無線上網、多媒體應用等技術，使學習過程充滿了魅力及樂趣。［3］

鋼琴作為樂器之王，在發揮音樂開發智力的功能中比聲樂以及其他樂器有著更多的優勢，因此，它常常被當成首選的家庭樂器。不過，鋼琴的價格比較昂貴，動輒幾萬元，不是所有家庭都能負擔得起的。而且一些家庭在購買鋼琴給孩子練習后，發現孩子對它缺乏興趣，使用一段時間后就束之高閣，造成投資的浪費。如果能事先了解學習者對某種樂器的喜愛程度和興趣，就能有效地幫助孩子挑選合適的樂器。

移動學習模式能很好地解決上面的問題。由于它本身具有的特性，可以為學習者提供一個虛擬化、情境化的樂器學習和彈奏環境，挖掘學習者在音樂方面的潛質。

二、現有模擬鋼琴類學習軟件存在的問題

作為一種新的移動學習類軟件，模擬鋼琴軟件受到人們的關注。本文從360的手機Android平臺和安卓網（www.pc6.com）上隨機下載5款模擬鋼琴類軟件并從功能模塊、按鍵設置、學習功能、適合人群和收費情況5個方面進行對比，如表1所示。

表1　模擬鋼琴類學習軟件對比

從表1可以看出5款軟件都實現了一些鋼琴使用的基本功能，例如小鍵盤顯示、按鍵發音、播放已有鋼琴曲目；同時，每款軟件又各有特色，如邊學邊彈模式、樂譜簡化為字母、音效模擬或者音符與五線譜對應等。從界面設計來看，5款軟件都提供單排演奏功能，有2款軟件還提供雙排演奏。從學習功能上看，這5款軟件的學習功能都偏弱，完美鋼琴雖然提供一定的學習模式，但是需要在付費情況下才能使用，而且沒有提供相應的鋼琴學習材料；一秒學鋼琴的學習模式與完美鋼琴類似，但是也無學習教材；鋼琴教練盡管支持學習模式并有學習教材，但這些功能需要在收費模式下才能使用。從適用人群看，前3款軟件均需要使用者有一定的音樂基礎，而其余2款軟件則可以面向無鋼琴使用基礎的人使用。

總體來看，這5款軟件所提供的學習功能都較弱，它們更傾向于提供休閑娛樂功能，而且大部分適合于有一定音樂基礎的學習者。因此，開發一款功能豐富，并能兼顧鋼琴初學者的學習軟件具有很好的實用價值。

三、移動學習的特點

智能手機的出現為教育類軟件提供了一個全新的平臺，手機類應用具有攜帶方便、簡單易用、可以隨時隨地學習的優勢。［4］因此，移動學習類軟件在策劃的過程中應該根據自身特點進行設計。下面列出移動學習的一些特點。

（1）學習形式的移動性。學習者不受時間的限制，任何時間都可以進行學習，而不必按固定的時間進行。同時，教師也可在移動中不受時空的限制隨時隨地進行教學。［5］

（2）學習時間的碎片性。為了方便學習者在移動中學習，可以充分利用時間的零碎片段，掌握一個相對完整的知識組塊，經過每天的積累和消化，最終會形成一個完整的知識拼圖。［6］

（3）學習過程的交互性。移動學習環境使用最新的技術給教學活動帶來交互的環境。學生不是被動參與到學習過程中，他們可以利用網絡通信技術和移動計算技術，實現數字化學習信息、資源和服務傳輸的雙向交流。［7］

（4）個性化的學習需求。在移動學習模式中，學習者根據自己的學習需求，自己控制學習的進度、安排學習時間和地點、自由選擇學習內容。

（5）學習技術的融合性。移動學習將諸如個性化、多媒體、情境智能、觸覺交互、移動設備、無線通信等多種技術相互融合，實現了從有線虛擬學習環境到無線虛擬學習環境的轉變。

四、Opiano的設計

現有的5款鋼琴模擬類軟件是以娛樂休閑為主，缺少教育性。針對這個問題，Opiano在設計時需要兼顧娛樂性與教育性，換言之，Opiano是一款同時面向鋼琴初學者和愛好者使用的多功能電子鋼琴學習軟件，能發現初學者是否對鋼琴演奏產生興趣，減少購買鋼琴的盲目性。它借助平板電腦提供的豐富的多媒體功能和多點觸控技術等優勢，向學習者展現出一個較為真實的鋼琴彈奏環境，方便學習模擬。除了彈奏功能外，Opiano還具有樂譜展示、錄音和播放、保存、清除等功能，不僅讓用戶享受在移動終端上彈奏鋼琴的樂趣，還具有輔助鋼琴教學的功能。

Opiano屬于培養興趣類移動學習軟件，通常此類課件的時長設計應該偏短一些，最好在5分鐘至10分鐘范圍內，并將課程知識點進行深度細化。［8］以此為基礎，本軟件向學習者提供了鋼琴啟蒙階段的學習資源。學習資源主要包括文字材料、視頻文件和音頻文件。文字材料介紹鋼琴入門學習的相關知識點，包括鍵盤認識、鋼琴的指法、五線譜基本要素、單手練習和雙手練習等10個學習主題，每個主題均配有文字說明和圖片說明，內容講解以10分鐘為限。為了豐富學習過程和形式，我們根據不同的主題，分別錄制相應的視頻文件和音頻文件，學生在學習過程中可以隨時打開對應的資源以獲得幫助。此外，我們還從拜厄的《鋼琴基本教程》中精心選擇了10首練習曲錄制為視頻文件，讓學生可以跟隨視頻文件進行練習。

Opiano在軟件設計上主要包含兩種應用模式：“普通模式”和“學習模式”，如圖1所示?！捌胀Ｊ健笨梢灾饕m合于鋼琴愛好者，體現出Opiano的娛樂功能。它可以讓用戶隨意彈奏樂曲，并且提供完整的88個鋼琴鍵，用來模擬所有音階?！皩W習模式”則幫助初學者掌握基本的樂理知識，雖然只提供最常用的17個琴鍵（集中在鋼琴鍵的C區），不過可以支持樂譜指示功能，指導用戶彈奏既定的樂曲。

圖1　Opiano的功能模塊

“普通模式”的界面設計主要分為4個部分，如圖2所示。控件操作區顯示音量調節、錄音、播放等常用按鈕。信息顯示區顯示用戶操作的內容。全琴鍵視圖區顯示一張全琴鍵（鋼琴的88個琴鍵）圖片。由于設備屏幕尺寸的限制，不可能一次性顯示全部琴鍵，用戶通過這個區域就能獲知和調節當前琴鍵的顯示范圍。模擬琴鍵區則顯示可滾動的模擬鋼琴琴鍵，一次只能顯示17個琴鍵，是該模式下最主要的區域，用戶就在該區域進行彈奏。

“學習模式”的界面設計同樣分為4個部分，如圖3所示。其中控件操作區和信息顯示區與“普通模式”完全相同。樂譜顯示區和模擬琴鍵區是該模式最主要的兩個區域，前者用來動態顯示樂譜，使用戶可以根據樂譜的指示彈奏樂曲，以達到充分的人機互動，同時體現了輔助教學的功能；后者供用戶進行彈奏，但是只顯示固定的17個琴鍵，不可以滾動。

圖2　“普通模式”界面設計

圖3　“學習模式”界面設計

五、Opiano實現的關鍵技術

根據以上移動學習的特點和Opiano的學習目標，本文基于10.1寸的Android平板電腦開發了相應的移動學習軟件。系統要求Android 2.3及以上版本，開發平臺為Eclipse和ADT，ADT是Android開發工具，通過安裝ADT插件就可以實現在Eclipse上開發Android的應用程序。［9-10］Opiano主要在Android系統的應用程序框架內進行開發，該框架提供Android應用程序使用的系統基本API（如Button、TextView、SeekBar等等），以及開發過程中常用到的基本框架組件，如View、ContentProvider等。

為了讓Opiano能逼真地模擬電子鋼琴的功能，下面將重點闡述軟件實現上的一些關鍵技術。

（1）模擬琴鍵界面的實現

當用戶進入“普通模式”或“學習模式”后，會在設備屏幕下方看到一排仿真的鋼琴琴鍵，如圖4所示。鋼琴的琴鍵是由兩個相鄰但是形狀不一致的白鍵和一個黑鍵構成，布局非常復雜。在開發過程中，無法使用單一的布局組件（即Android API，常用的布局組件有LinerLayout等）實現，而是將黑色琴鍵沿著白色琴鍵的分界線分割成左右兩個小矩形，在線性布局（LinerLayout）的框架中使用相對布局（RelativeLayout）完成的。

圖4　模擬琴鍵界面

（2）全鍵盤視圖功能的實現

由于Android平臺電腦屏幕寬度的限制，為了使用戶能夠通過拖拽全鍵盤視圖上的滑塊（如圖5所示）便捷地調節琴鍵的顯示區域，本文采用API控件SeekBar并結合水平滾動布局（HorizontalScrollView）實現全鍵盤視圖的功能，即將圖片作為SeekBar的滑道，滑塊指示屏幕當前顯示的模擬琴鍵區域。利用SeekBar提供的接口OnSeekBarChangeListener接收SeekBar進度改變時的消息，就能獲取用戶拖拽滑塊前后的進度改變，從而計算出模擬琴鍵需要滾動的距離，以便讓模擬琴鍵滾動到正確的位置。

圖5　全鍵盤視圖

（3）樂譜動態顯示功能的實現

樂譜的動態顯示是“學習模式”最主要的功能。其實現效果如圖6所示。

圖6　樂譜動態顯示效果

樂譜內容顯示在文本控件（TextView）中，一次性只顯示兩行音符。第一行音符在顯示完畢后會自動消失，同時第二行音符移動到第一行，并且在該控件的第二行顯示新的音符，因此整體看起來樂譜內容在向上滾動，一次性滾動一行。樂譜內容存儲在標準的XML資源文件中，主要存儲兩種類型的信息——音符和每個音符的時長（節拍數）。使用Android API——XmlResourceParser對XML資源文件進行解析，提取文件中的樂譜信息。

樂譜顯示的整個過程中，完全由進度條控件（ProgressBar）控制樂譜的動態變化（音符的顏色變化和樂譜內容的滾動）。ProgressBar進度的動態增長是由Android線程實現的，并且其增長速度由音符的時長決定。

（4）彈奏模擬琴鍵的程序實現

彈奏模擬琴鍵是“普通模式”和“學習模式”下最主要的程序。首先，它給用戶提供了仿真的模擬鋼琴琴鍵界面，讓用戶可以觸摸。其次，當用戶用手指觸摸每一個模擬琴鍵時，模擬琴鍵會發出相應的琴鍵聲音直到用戶抬起手指，聲音才會停止。為了使用戶彈奏模擬琴鍵的效果更為真實，該程序還實現琴鍵被按下和彈起時不同的視覺效果，其功能如圖7所示。該程序主要通過按鈕觸摸事件監聽器來實現。

（5）調節琴鍵顯示區域的程序實現

由于設備尺寸的限制，無法將全部的模擬琴鍵一次性地顯示在屏幕上，屏幕只能顯示17個模擬琴鍵。但是模擬琴鍵是可以通過調節設備屏幕上方的全琴鍵視圖而進行左右滑動，在滑動的過程中改變其在屏幕上顯示的琴鍵區域。除此之外，用戶還可以通過全鍵盤視圖準確地獲悉當前顯示的琴鍵是在什么區域，方便用戶進行彈奏。

例如，用戶當前看到的琴鍵處在中音區，但是用戶想到高音區進行彈奏。這時用戶可以向右拖拽全鍵盤視圖上的滑塊，直到在高音區的位置停下，之后模擬琴鍵就能在瞬間平滑地移動到高音區，其功能如圖8所示。該程序使用的接口為View.OnSeekBarChangeListener，此接口用于SeekBar控件的事件監聽器中，可以監聽SeekBar控件變化前、變化中和變化后的動作。

圖7　彈奏模擬琴鍵功能圖

圖8　調節琴鍵顯示區域功能圖

六、Opiano的評價

Opiano開發完成后，為了評價其效果，我們隨機選取年齡在6-12歲的學生，共計15人試用該軟件，其中6-9歲的學生有10人，10-12歲的學生有5人。這些試用者之前都沒有任何鋼琴彈奏的經驗。經過為期一個月的使用，年齡段在6-9歲的學生中有7人對鋼琴演奏產生興趣，能夠利用這款軟件演奏簡單的曲目，這部分學生的比例約為70%；余下3人只是將其作為娛樂軟件使用，但能經常使用。年齡段在10-12歲的學生中有2人對鋼琴演奏產生興趣，能夠用比較規范的指法演奏簡單的曲目；剩余的3人中有2人將Opiano作為娛樂軟件使用，剩余1人則沒有興趣，很少使用。

根據上述結果可以看出，年齡段較小的學生容易對Opiano產生興趣，學習效果良好；而年齡段較大的學生大部分是將Opiano作為一個娛樂軟件使用，并沒有繼續學習的意愿?？梢?，對于鋼琴的學習，年齡段越小的學生越容易培養出愛好，家長可以有意識地讓孩子先接觸模擬類移動軟件以便發掘出孩子的興趣，之后再購置真實的鋼琴。這樣，可避免因為盲目購置而造成的樂器閑置。Opiano提供的虛擬化學習環境和精心設計的教學內容，讓53%以上的測試者沉浸在學習環境中，促使他們掌握初步的樂理知識和演奏技能。

七、結束語

由于Android系統的限制，本軟件不能實現多鍵發聲的功能。要想實現該功能，只借助Android提供的API是不夠的，還需要借助硬件的數字合成技術，通過數字合成聲音。下一步的研究可以著眼于此。

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［7］肖君，王敏娟，李雪.面向移動學習的學習活動設計框架［J］.遠程教育雜志，2011（21）：15-19.

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（編輯：王天鵬）

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A

1673-8454（2016）05-0093-04

教育部高等學校質量工程項目“基于CDIO的國際化、工程化軟件人才培養創新實驗區”（X3108005）；云南大學軟件學院教育創新基金項目（2012EI0）。