人工智能背景下提升練琴效率方法研究

黃雅麗

（華南師范大學,廣東廣州 510000）

在人工智能的發(fā)展中，音樂教育逐漸運用智能鋼琴的教育方式，發(fā)揮人工智能優(yōu)勢，但是在應用的過程中智能鋼琴也充滿了問題，但隨著時間的推移，人工智能也解決了許多教育問題，在處理數(shù)據(jù)時，可以遠遠超過人類，并具有特定領域的能力。此外，AI不會感到疲勞、抱怨或罷工。人工智能也有無限的規(guī)模價值。換言之，大數(shù)據(jù)時代背景下，教師應該運用人工智能做好數(shù)據(jù)收集、分析、計算等工作，并在應用的過程中加強人們的情感溝通和交流，更善于培養(yǎng)創(chuàng)新和創(chuàng)造力。

一、人工智能鋼琴簡述

智能鋼琴不是電動鋼琴。AI智能鋼琴在演奏的過程中，依然存在鋼琴的傳統(tǒng)特征。與電子鋼琴之間存在差異性，所以強調(diào)演奏者要擁有以往鋼琴學習過程中的傳統(tǒng)鋼琴演奏技巧。同時，愉悅傳統(tǒng)鋼琴不同的是，智能鋼琴包含很多現(xiàn)代技術，還有很多技術功能。我國的一些制造商和音樂學院開始合作，全面促進AI鋼琴練習形式的應用，真正地在教學中將AI鋼琴用于在線課堂教學中，為學生提供了與教師和學生互動學習的體驗。從而幫助學生的鋼琴練習變得更加有趣。人工智能鋼琴可以引導學生一對一練習、學習，還能完成相關的學習。目前的現(xiàn)代鋼琴實踐和教學帶來很大影響。

二、人工智能鋼琴練習

現(xiàn)階段的鋼琴教學具有十分復雜的特征，包含生理需要、心理學、音樂，理解等多樣化的教育內(nèi)容。當前智能鋼琴的出現(xiàn)給學生鋼琴練習產(chǎn)生怎樣的變化是目前需要思考的主要問題。而且還應該分析在教學的哪個環(huán)節(jié)中應該運用智能鋼琴代替?zhèn)鹘y(tǒng)課堂教師教學方式？需要與教師合作做什么？教師必須自己做什么工作？

（一）鋼琴基礎教學階段

在鋼琴基礎教學中，為增強學生對鋼琴演奏基礎知識的學習能力，學生基本手型、相關坐姿、按鍵模式、節(jié)奏、頻譜識別等訓練是最基本的。這其中的每個教學都需要家長和教師之間配合完成。目前很多鋼琴教師為了激發(fā)學生學習興趣，通常運用快樂教學的方式開展教學，但是教學效果不理想。通過智能鋼琴的應用，可以給學生的學習帶來興趣和結果。教師完成鋼琴教學任務后，并不能隨時的陪伴學生練習鋼琴、學習彈奏節(jié)奏和練習基礎等工作。學生家長會通過聘請培訓團隊來完成這一過程，然而，培訓團隊的能力能否滿足教學教師的要求，培訓團隊是否可以協(xié)調(diào)教師和學生教學之間的關系，以及是否可以達到教師預期的效果都是需要思考的問題。當前智能鋼琴可以在沒有教師指導的情況下單獨完成。并運用4K顯示屏與他人之間溝通，將樂譜和表演演示出來，按照相應的動畫圖像進行學習，進而達到教學實踐游戲多樣化共享和操作的目的，使學生能夠在鋼琴學習的過程中變成彈奏鋼琴。在簡單初期，智能鋼琴能夠很好地指導和培養(yǎng)學生興趣，提高教學效果。其中，鋼琴節(jié)奏練習中，智能鋼琴可以給學生帶來不一樣的體驗，有一點像游戲節(jié)奏大師的特點。學生在通關模式中也可以更好地學習到節(jié)奏，從難度簡單到復雜的學習過程，增強學生學習效率。人工智能教師會在4K屏幕上糾正教學，讓學習者真正在玩的同時學習。

（二）鋼琴教師與AI鋼琴的完美合作

關于鋼琴教師和AI鋼琴的完美合作，筆者認為，兩者應相輔相成，并根據(jù)兩個主題不同的優(yōu)勢和作用，培養(yǎng)學生的學習能力。教師在發(fā)展學生個性化學習能力時，可以在學生達到中級和高級水平以后，運用一對一的方法，對學生進行培養(yǎng)。同時，培養(yǎng)和引導學生了解音樂作品的情感表達，更好演奏音樂作品。在此過程，教師根據(jù)學生學習程度不同針對性指導，轉變以往集體和諧式的教育方式，還會要求學生有效理解不同作品，而不是簡單地對作品進行復制。這是人工智能鋼琴無法實現(xiàn)的。正如前文人們所說的那樣，人工智能是無法完全替代人類的靈魂和情感的。在針對初學者和剛剛學習鋼琴的學生來說小組課的形式具有很大意義和影響作用。同時，音樂作品想要表達的方式也會更加簡單，表達的意義也容易被學生所理解。通常運用兒歌的形式出現(xiàn)，在相同節(jié)奏、旋律、指法的帶動下，不需要教師一對一地進行教學指導。并且人工智能智能鋼琴教室的出現(xiàn)，也具有很大的實用性，教師可以采用1至10人的大班授課方式，讓學生有效地進行鋼琴學習，教師還會對每個學生的手形、坐姿、彈奏進行檢查，全面節(jié)約時間，將學生的學習興趣激發(fā)出來，促進其學生學習鋼琴門檻的降低

（三）人工智能鋼琴的應用

要想讓教學取得合理的教育效果，教師需要發(fā)揮人工智能鋼琴的優(yōu)勢，為其搜索和挖掘相關信息與數(shù)據(jù)，整合和計算相關數(shù)據(jù)工作等。人工智能鋼琴具有多媒體功能，將鋼琴演奏視頻、圖片融入課堂教學中，進而構成合理的教學形式，提升教學效果。比如教師可以在帕格尼尼練習曲的教學中，演奏電影《帕格尼尼練習曲》中的小提琴協(xié)奏曲。了解作者創(chuàng)作背景是帕格尼尼的小提琴協(xié)奏曲，會使學生對李斯特的作品有了更好、更深刻的理解。李斯特將他的作品進行改編，讓小提琴作品變成鋼琴作品，進而增強小提琴技巧在鋼琴方面的使用效果。在運用多媒體向學生展示教學內(nèi)容的過程中，也能更好地保持學生課堂學習注意力。人工智能鋼琴的另一大功能是不會疲勞、抱怨，能夠煥發(fā)無限的規(guī)模潛力，并且逐漸超越人的范疇，可以當作陪練的一種方式。

三、對鋼琴練習者的建議

（一）轉變教學的觀念

新時期背景下，為了更好地融入大數(shù)據(jù)革命時代的發(fā)展氛圍中，其教學應該注重人工智能的應用，在人工智能的使用中，要合理的發(fā)揮人工智能優(yōu)勢，并且讓其成為鋼琴學習和教學的一種方式。當前人工智能鋼琴可以運用程序數(shù)據(jù)分析來完成，還能讓鋼琴練習者在練習的過程中，有效感受到鋼琴練習的快樂。目前教師應該將教學保衛(wèi)時間發(fā)揮在前沿思想和知識創(chuàng)新方面，全面強化自身的身體素質(zhì)和能力，運用具有創(chuàng)造性的教學方式和辦法，合理優(yōu)化教學內(nèi)容。當然還要運用人工智能技術，激發(fā)學生學習的情感理解，使其學生更好地參與到人工智能的學習環(huán)境下，增強學生學習質(zhì)量，并給學生的鋼琴學習帶來良好的體驗。在教學觀念的轉變中，還要盡可能地讓人工智能與人的情感之間融合，通過人工智能將人想要表達的情感，通過鋼琴毽子傳遞出去，增強其文化傳播和音樂傳遞效果。

（二）鋼琴練習者是智能鋼琴控制器

人工智能鋼琴發(fā)揮作用關鍵在于教師是否可以合理的應用，在運用人工智能鋼琴中，教師可以和家長一起參與教學和實踐當中，在學生使用智能鋼琴的過程中，需要發(fā)揮教師和家長的監(jiān)督作用。由于學生的天性是玩，所以在學習的過程中很難控制自己。通過對學生學習的監(jiān)督，能夠使學生形成良好學習習慣，從而將家長和教師共同參與的教育作用發(fā)揮出來。譬如在彈奏節(jié)奏中，學生可以通過節(jié)奏軟件愉快地學習，但最終的目的是加強學生獨立思考能力和自主操作能力的培養(yǎng)。教師可以在學生學習環(huán)節(jié)中發(fā)揮控制著和引導者的作用，讓學生在良好的學習環(huán)境下，提升學習質(zhì)量。

四、彎曲度傳感器的智能鋼琴手套設計

（一）整體結構

智能鋼琴手套，包括：手套組件和音箱組件。練習者戴上手套后，只需根據(jù)手指彎曲的狀態(tài)，就可發(fā)出相應的聲音，從而達到練習鋼琴指法和曲目的目的。其中手套組件包括手套、指關節(jié)處的彎曲度傳感器、信號發(fā)射模塊、第一控制單元等。其中手套根據(jù)中華人民共和國國家標準：成年人手部號型（GB/T16252-1996）確定。音箱組件包括：殼體、信號接收模塊、揚聲器模塊、第二控制單元。其中，第一控制單元和彎曲度傳感器以及信號發(fā)射模塊電連接;第二控制單元和揚聲器模塊以及信號接收模塊電連接。

（二）關鍵設計

1.功能設計

在做基于彎曲度傳感器手套控制的藍牙音箱時，主要設計了三種功能：（1）音箱能夠播放不同音調(diào)；（2）可以通過手勢來控制音箱的音調(diào)；（3）手套和音箱之間的連接屬于無線連接。

2.外觀設計

基于彎曲度傳感器手套控制的藍牙音箱的外觀分為上位機和下位機兩部分，（1）上位機把傳感器和我們生活中常使用的手套相結合；（2）下位機音箱使用3D打印方形且?guī)в幸欢ㄇ娴耐鈿ぃ@樣更能夠把聲音放大。

3.交互方式

基于彎曲度傳感器手套控制的藍牙音箱的方式包括：（1）彎曲度傳感器測量手指的彎曲程度；（2）揚聲器發(fā)出音調(diào)。

4.供電方式

基于彎曲度傳感器手套控制的藍牙音箱設計的使用場景為舞臺表演，供電方式選擇是電池直接供電。

（三）實體設計

1.元器件

智能鋼琴音箱元器件包括Arduino Nano控制器、Arduino Nano擴展板、彎曲度傳感器、10K電阻、藍牙模塊、揚聲器和音箱外殼等，如圖1。其中音箱外殼由3D打印技術打印。

圖1 智能鋼琴手套關鍵零部件

（1）Arduino Nano控制器

上位機和下位機都采用Arduino Nano為控制核心，能夠支持彎曲度傳感器、藍牙通訊、揚聲器等。Arduino Nano控制器硬件電路具體如圖2。

圖2 Arduino Nano硬件電路圖

（2）彎曲度傳感器

flex2.2彎曲傳感器，當傳感器的金屬面向外彎曲時，該傳感器的電阻值會發(fā)生變化，從而可以檢測到彎曲度。非彎曲狀態(tài)電阻：～9000;90度彎曲電阻：～14000;180度彎曲電阻：～22000。實驗室，彎曲傳感器連接了一個10K電阻，與Arduino Nano相連接。彎曲度傳感器為模擬傳感器，讀取傳感器值對應的函數(shù)是analogRead（ ），對應的取值范圍是0-1023。本作品共使用5個彎曲傳感器，傳感器與Arduino Nano連線如圖2。彎曲度傳感器的金屬面彎曲時，彎曲度傳感器的電阻值會發(fā)生變化，從而檢測對應手指關節(jié)處是否彎曲。在使用中，第一控制單元根據(jù)彎曲度傳感器測量的手指關節(jié)處是否彎曲生成相應的字符信號，并且將該字符信號傳輸至信號發(fā)射模塊，設置于殼體內(nèi)的信號接收模塊接收該字符信號并且將該字符信號傳輸至第二控制單元，第二控制單元根據(jù)接收到的字符信號控制揚聲器模塊發(fā)出相應的聲音（例如，仿鋼琴聲）。

（3）HC-05主從機一體藍牙模塊

它的最大特點是將藍牙當作串口用。藍牙HC-05，空曠地帶傳輸距離10米左右，默認波特率為9600、默認配對密碼為1234。該作品使用2個HC-05藍牙模塊，一塊作為發(fā)射模塊，一塊作為接收模塊使用。設置波特率函數(shù)為Serial.begin（9600），發(fā)射信號對應的函數(shù)為Serial.println（ ），讀取信號值對應的函數(shù)為Serial.Read（ ）。上位機和下位機HC-05藍牙模塊接線一樣。揚聲器模塊，相當于一個無源蜂鳴器。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部有震蕩、驅動電路，加電源就可以響。優(yōu)點是用起來省事，缺點是頻率固定了，只有一個單音。無源蜂鳴器聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果。常用的函數(shù)包括tone（ ），和noTone（ ）。在編曲過程中，我們選用了“多來米發(fā)索拉西多（高音）”，合計8個音調(diào)。

2.程序設計

采用ArduinoIDE進行程序編寫，程序主要實現(xiàn)功能為，當作某一特定手勢的時候，音箱會發(fā)出對應音調(diào)的聲音。首先，要對手勢進行編碼。上位機程序要實現(xiàn)功能為，當作某特定手勢的時候，發(fā)出不同的字符信號。下位機要實現(xiàn)功能為，當接收到字符信號時，音箱會發(fā)出對應音調(diào)的聲音。

（四）測試

當彎曲傳感器接好線之后，分別測出各個手指頭彎曲和不彎曲時傳感器值。基于彎曲度傳感器手套控制的藍牙音箱，通過短暫的訓練，即可以完成各個音調(diào)的控制。使用熟練可以依靠手勢變化彈出一首簡單的曲子。讓每個感興趣的人很快就能上手，并且知識含量也比較豐富。為了讓傳感器能夠直觀測出彎曲和不彎曲的狀態(tài)，根據(jù)測量值，定義了各個彎曲傳感器彎曲和非彎曲的取值范圍。

五、結語

人工智能，背景下，為了提升學生的練琴效率，教師應該合理選擇人工智能的教育方式。同時，運用智能鋼琴和智能教室，可以更好地幫助學生取得學習成效。因為每件事都有兩面性。在學校，智能鋼琴的研究者和教育者在教學方法創(chuàng)新等教學問題上更注重教學模式的改進，在分析新教學方法的基礎上，也要結合科技發(fā)展趨勢，有效地提升教師的教學能力，并合理挖掘人工智能對學生鋼琴練習效率提升的作用，使其成為學生掌握現(xiàn)代音樂學習知識的一種新方法，幫助學生保持高度學習的注意力和精神。