基于數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜瑾文

摘 要： 數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以音樂(lè)課堂教學(xué)特點(diǎn)為依據(jù)，完成了針對(duì)音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)目前音樂(lè)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，以常用的音樂(lè)教學(xué)軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際音樂(lè)課堂教學(xué)的自身特點(diǎn)，完成了對(duì)數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由虛擬鋼琴、樂(lè)譜編輯與演示3個(gè)核心模塊組成，完成了各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)系統(tǒng); 數(shù)字音樂(lè)教學(xué); 多點(diǎn)觸控; 軟音源

中圖分類號(hào)： TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1007-757X（2019）06-0074-04

Abstract： The design of digital music classroom teaching system should base on music classroom teaching characteristic. This paper completed the design and implementation of music class teaching system， according to the current situation of music teaching， and the commonly used software in music teaching. This paper also combined with the characteristics of the actual music classroom teaching， completed the overall structure of digital music classroom teaching system design. The system contains three core modules of virtual piano， music editing and presentation. This paper completed the design and realization process of each module.

Key words： Teaching system; Digital music teaching; Multitouch; Soft sound source

0?引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷普及發(fā)展，音樂(lè)教學(xué)軟件與硬件配置也在不斷更新和完善，數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)是現(xiàn)階段音樂(lè)教學(xué)的重點(diǎn)之一，各種音樂(lè)教學(xué)軟件競(jìng)相出現(xiàn)在大眾的視野里，但真正滿足實(shí)際音樂(lè)課堂教學(xué)應(yīng)用需求的系統(tǒng)軟件卻非常少，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)—款符合音樂(lè)課堂實(shí)際教學(xué)需求的教學(xué)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1?相關(guān)技術(shù)概述

WPF技術(shù)具備統(tǒng)一的編程語(yǔ)言、模型和框架，做到了界面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)上人員的分離，同時(shí)提供給用戶全新的多媒體交互的圖形界面（3D界面）。WPF運(yùn)行在.NET 下，統(tǒng)一了用戶界面、圖形、文檔和媒體的描述與操作方法。其圖形向量渲染引擎使6傳統(tǒng)2D界面得到大幅改進(jìn)， WPF提供了非常豐富的.NET UI 框架，更優(yōu)質(zhì)的視覺(jué)效果和功能廣泛的控件模型框架;MIDI技術(shù)，MIDI（Musical Instrument Digital Interface）樂(lè)器數(shù)字接口 ，可解決電聲樂(lè)器之間的通信問(wèn)題，編曲界普遍使用MIDI的音樂(lè)標(biāo)準(zhǔn)格式，是一種計(jì)算機(jī)能理解的樂(lè)譜，MIDI記錄音樂(lè)是通過(guò)音符的數(shù)字控制信號(hào)來(lái)完成的。一首完整的MIDI音樂(lè)大小僅為幾十KB，卻可包含幾十條的音樂(lè)軌道。現(xiàn)代音樂(lè)大部分都是用MIDI與音色庫(kù)完成制作合成的過(guò)程。MIDI 傳輸?shù)氖且舴⒖刂茀?shù)等指令，而無(wú)需傳輸聲音信號(hào)，就可完成對(duì)MIDI設(shè)備的指示工作， 如演奏某個(gè)音符、音量大小等，采用異步串行通信[2]。

2?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于基于數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)涉及到包含多個(gè)功能的多個(gè)模塊，本文為了使系統(tǒng)內(nèi)各模塊間的協(xié)調(diào)運(yùn)作得以順利實(shí)現(xiàn)，在保證整體功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，包括功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能模塊設(shè)計(jì)2個(gè)部分。

2.1.1?功能結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文劃分了系統(tǒng)的整體功能，主要包括模擬鋼琴模板（包括鋼琴顯示控制、鋼琴?gòu)椬唷撉僖粜幚恚?lè)譜編輯模塊（包括編輯初始化、樂(lè)譜編輯、樂(lè)譜顯示）和樂(lè)譜演示模塊（樂(lè)譜播放控制、樂(lè)譜顯示控制、演示音效處理）3個(gè)部分，系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示[3]。

2.1.2?整體功能模塊設(shè)計(jì)

功能結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的3個(gè)模塊功能點(diǎn)分別為：鋼琴?gòu)椬嗄K需實(shí)現(xiàn)基本的鋼琴放縮、鋼琴鍵平移、鋼琴?gòu)椬嗟裙δ?

樂(lè)譜編輯模塊需實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的打開(kāi)或新建樂(lè)譜、編輯與預(yù)覽樂(lè)譜、存儲(chǔ)樂(lè)譜等功能;樂(lè)譜演示模塊需實(shí)現(xiàn)。各個(gè)模塊的功能點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2—圖4所示。

（1） 鋼琴?gòu)椬嗄K

鋼琴?gòu)椬嗄K功能如圖2所示。

（2） 樂(lè)譜編輯模塊

樂(lè)譜編輯模塊功能如圖3所示。

（3） 樂(lè)譜演示模塊

在音樂(lè)課堂教學(xué)中，播放演示是核心組成部分，樂(lè)譜學(xué)習(xí)過(guò)程中，相應(yīng)的樂(lè)譜通過(guò)給學(xué)生播放演示，不僅能促進(jìn)師生間的互動(dòng)，還可使學(xué)生對(duì)樂(lè)譜的理解更加深刻。為了提高系統(tǒng)與課堂的結(jié)合程度，并保證播放效果，本系統(tǒng)結(jié)合音樂(lè)課堂教學(xué)實(shí)際情況，進(jìn)一步豐富了課堂播放演示方式，包括單音軌/多音軌播放、多樂(lè)器選擇播放、升降調(diào)播放、特定小節(jié)播放等方式，并通過(guò)特別處理實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)播放效果。

樂(lè)譜演示模塊功能如圖4所示。

3?音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)核心模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1?鋼琴?gòu)椬嘧幽K的實(shí)現(xiàn)

該模塊的主要負(fù)責(zé)完成鋼琴的彈奏處理，包括確定鋼琴鍵的具體位置，同時(shí)按下與釋放多崗位鋼琴鍵的操作，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)彈奏鋼琴鍵的處理過(guò)程等。作為模擬鋼琴的核心模塊，鋼琴?gòu)椬嘧幽K的實(shí)現(xiàn)難度最大，而模擬鋼琴的演奏效果取決于其實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量，為了滿足對(duì)更好的交互友好性的需求，本文通過(guò)采用WPF呈現(xiàn)技術(shù)，并結(jié)合多點(diǎn)觸控交互技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1?鋼琴?gòu)椬嘧幽K順序流程圖

啟動(dòng)模擬鋼琴后，在初始化完成后進(jìn)入鋼琴顯示界面，對(duì)彈奏事件的觸發(fā)與否進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。在有彈奏事件發(fā)生后，需根據(jù)實(shí)際不同的彈奏事件完成相應(yīng)的處理，處理結(jié)束后需對(duì)鋼琴顯示界面進(jìn)行更新，從而使彈奏效果得以最終呈現(xiàn)，其具體的順序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示[4]。

3.1.2?鋼琴音效處理子模塊流程圖

音效處理模塊主要負(fù)責(zé)完成模擬鋼琴發(fā)聲效果的優(yōu)化，通過(guò)對(duì)對(duì)發(fā)生效果完成特殊處理過(guò)程，使彈奏出來(lái)的聲音質(zhì)感更好更悅耳，進(jìn)一步提高老師和學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)效果，本文為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的發(fā)聲效果，選用了添加軟音源的方式完成該子模塊的設(shè)計(jì)，具體音效處理模塊的流程如圖6所示[5]。

3.2?樂(lè)譜編輯子模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊的主要負(fù)責(zé)樂(lè)譜的編輯工作過(guò)程，主要包括拖拽修改五線譜譜號(hào)、調(diào)號(hào)與拍號(hào);添加或刪除樂(lè)譜附點(diǎn)、小節(jié)與音符等。作為樂(lè)譜編輯的核心模塊，樂(lè)譜編輯子模塊涉及到許多復(fù)雜的音樂(lè)規(guī)則，樂(lè)譜編輯的準(zhǔn)確程度和穩(wěn)定程度都取決于其實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量高低，為了進(jìn)一步提高樂(lè)譜編輯及呈現(xiàn)的效果，本文采取WPF技術(shù)完成該模塊的設(shè)計(jì)，樂(lè)譜編輯子模塊具體的流程如圖7所示。

編輯樂(lè)譜可由編輯菜單和符號(hào)面板實(shí)現(xiàn)，如新建帶有兩條音軌的樂(lè)譜，添加或刪除音符附點(diǎn)同樣可以通過(guò)編輯菜單實(shí)現(xiàn)，樂(lè)譜譜號(hào)、調(diào)號(hào)、拍號(hào)的修改則可以通過(guò)左邊符號(hào)面板實(shí)現(xiàn)。

3.3?樂(lè)譜預(yù)覽及保存子模塊的實(shí)現(xiàn)

該子模塊主要負(fù)責(zé)完成樂(lè)譜編輯后的相關(guān)處理工作，核心組成部分為樂(lè)譜的預(yù)演奏與保存等功能，己編輯樂(lè)譜的及時(shí)預(yù)覽需由樂(lè)譜預(yù)演奏功能實(shí)現(xiàn)，有助于樂(lè)譜中問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)及對(duì)應(yīng)的改正操作，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了音樂(lè)教師的課堂教學(xué)流程，本文在界面實(shí)現(xiàn)上，該子模塊采用了WPF技術(shù)，在演奏和保存樂(lè)譜模塊的實(shí)現(xiàn)上，使用了MIDI技術(shù)，同時(shí)為了進(jìn)一步提高預(yù)演示效果，在對(duì)音效的處理上本系統(tǒng)應(yīng)用了VST軟音源技術(shù)。樂(lè)譜預(yù)覽子模塊具體流程如圖8所示[6]。

3.4?樂(lè)譜顯示控制子模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊主要負(fù)責(zé)樂(lè)譜演示的顯示效果方面的控制工程，主要包括放大/縮小樂(lè)譜，鋼琴樂(lè)譜的顯示與否，完成切換鋼琴樂(lè)譜的位置等。通過(guò)各種顯示效果的設(shè)置，簡(jiǎn)化老師和學(xué)生使用的使用過(guò)程，使演示效果更加直觀，本文主要采用WPF技術(shù)完成該模塊的設(shè)計(jì)。

樂(lè)譜顯示控制子模塊的具體流程如圖9所示。

為了方便老師課堂演示鋼琴?gòu)椬嘈Ч撉俸蜆?lè)譜位置切換可通過(guò)切換鍵直接實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)顯示音調(diào)按鈕對(duì)音調(diào)的顯示與否進(jìn)行直接設(shè)置，方便了學(xué)生對(duì)鋼琴鍵和音符音調(diào)的直觀查看。

3.5?樂(lè)譜音效處理子模塊的實(shí)現(xiàn)

該子模塊主要負(fù)責(zé)樂(lè)譜發(fā)聲效果的改善工作，優(yōu)化樂(lè)譜演示的聲效，提高其專業(yè)性。作為樂(lè)譜演示的重要模塊，樂(lè)譜音效處理子模塊是實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，綜合各方面因素，本文采用開(kāi)源軟音源VST插件完成改善樂(lè)譜音效的目的，該子模塊的具體流程如圖10所示[7]。

3.6?MIDI 音樂(lè)主旋律提取算法

該算法完成了FPGA設(shè)計(jì)，主要包括MIDI_top（頂層模塊）、MIDI_rw（讀寫(xiě)電路模塊）、MIDI_cmp（數(shù)據(jù)比較電路模塊）、MIDI_check（文件尾檢測(cè)電路模塊）、MIDI_exchange（數(shù)據(jù)交換電路模塊）及MIDI_addrp（地址累加電路模塊），MIDI 音樂(lè)主旋律提取算法整體的電路結(jié)構(gòu)如圖11所示[8]。

4?數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試

通過(guò)對(duì)對(duì)系統(tǒng)各模塊的測(cè)試，最終測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)所有功能的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，保證了系統(tǒng)中各功能模塊穩(wěn)定運(yùn)行。核心模塊包括鋼琴?gòu)椬嘧幽K、樂(lè)譜編輯子模塊、樂(lè)譜預(yù)覽及保存子模塊、樂(lè)譜顯示控制子模塊、樂(lè)譜音效處理子

模塊的功能也得以實(shí)現(xiàn)，為音樂(lè)課堂教學(xué)提供了技術(shù)支撐，簡(jiǎn)化了教師的授課流程，同時(shí)降低了學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)及應(yīng)用的難度。

5?總結(jié)

結(jié)合需求分析和總體設(shè)計(jì)，本文基于數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以音樂(lè)課堂教學(xué)特點(diǎn)為依據(jù)，完成了針對(duì)音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，根據(jù)目前音樂(lè)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，以常用的音樂(lè)教學(xué)軟件的需求為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際音樂(lè)課堂教學(xué)的自身特點(diǎn)，完成了對(duì)數(shù)字化音樂(lè)課堂教學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由虛擬鋼琴、樂(lè)譜編輯與演示3個(gè)核心模塊組成，并完成了各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，為音樂(lè)課堂教學(xué)提供了技術(shù)支撐。

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（收稿日期： 2018.06.25）