基于Logic Pro軟件的鋼琴即興伴奏教學平臺構建

郭美汝

(陜西省銅川職業(yè)技術學院， 師范教育與管理學院， 陜西, 銅川 727031)

0 引言

網絡教學平臺可以在一定程度上增強教學空間的開放性、豐富教學資源，其憑借靈活的教學方式以及便捷的教學行為的互動性，成為了目前教學應用的主要方式之一[1-2]。其中，網絡教學平臺運行的穩(wěn)定性直接影響著整體教學效果，且數據傳輸的實時性對學生上課的學習體驗有著重要的作用[3]。因此如何保證教學平臺長期運行的穩(wěn)定性、改善數據傳輸的實時性具有重要意義。

相關領域學者對其進行了研究，文獻[4]采用先進泛在技術，建立泛在化實踐教學平臺，根據泛在實踐教學內涵，構建基于活動理論和情境感知的泛在化實踐教學活動模型，結合物聯網以及傳感器技術，采集動態(tài)生成性數據，構建泛在實踐教學平臺。文獻[5]采用耦合機制得到潛變量，該潛變量能同時捕獲每條軌道的內部分布和多條軌道的聯合分布。將離散性和二元性轉化為凸約束，從而得到可微優(yōu)化問題，并與神經網絡進行平滑協作，構建流行音樂即興伴奏平臺模型。

基于上述分析，本文在教學平臺搭建方面，創(chuàng)設B/S架構下的鋼琴即興伴奏教學平臺(下文簡稱教學平臺)，使用突發(fā)傳輸模式，優(yōu)化教學資源上傳速度。平臺涵蓋伴奏信息管理、教學管理和用戶信息管理板塊，從不同方面服務于學生學習鋼琴即興伴奏技巧，Logic Pro軟件的應用不但能增強和聲理論與實際伴奏的相融，練習聽力的同時，還能夠最大限度優(yōu)化鋼琴即興伴奏教學質量，為學生鋼琴彈奏的有效練習提供充分條件。

1 教學平臺硬件設計

1.1 平臺整體結構設計

傳統鋼琴即興伴奏教學中，平臺運行的穩(wěn)定性較差，平臺的教學管理功能應用性不強[6]。本文運用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器模式)結構，創(chuàng)建了一個鋼琴即興伴奏教學平臺，大幅提高鋼琴即興伴奏教學水平。平臺涵蓋三層體系架構：表示層、業(yè)務邏輯層、數據訪問層，平臺架構如圖1所示。

圖1 鋼琴即興伴奏教學平臺體系架構

表示層擔負可視化界面操作，準許用戶輸入自身信息并傳遞至后臺，輸出信息請求，實現數據共享，是用戶和平臺之間交互的橋梁。

業(yè)務邏輯層是整個平臺的關鍵，可實現整體平臺的管理功能。把各個功能點實施封裝，構成原子功能點，讓表示層調動用戶所需信息。該層包括三個板塊，分別為伴奏信息管理板塊、教學管理板塊和用戶信息管理板塊。其中，伴奏信息管理板塊可以對鋼琴曲目進行管理，比如在鋼琴教學時增添新的伴奏曲目信息、刪除信息、修改信息、查詢特定信息、播放曲目等[7]。平臺內，新增曲目信息、刪除信息與修改信息只有教師具備操作權限，查詢曲目是使用平臺的人都具備的操作權限項目。教學管理板塊是平臺內的重要板塊，用戶在平臺點擊進入教學管理頁面后，進行相應的課程管理，各個子板塊還涵蓋不同功能。用戶信息管理板塊可以對平臺內的用戶進行統一管理，完成平臺運維任務。僅有在平臺管理員賬戶登錄后，才能從平臺主頁面點擊進入用戶管理頁面，完成用戶管理，譬如用戶添加、挑選指定用戶、修改權限等。

數據訪問層是訪問文件與數據庫的入口，可以被業(yè)務邏輯層調用，完成對鋼琴即興伴奏資源數據表的查詢、插入、更新與刪除等功能。

1.2 平臺應用的網絡拓撲結構

鋼琴即興伴奏平臺的網絡建設涵蓋兩方面：校園內部局域網建設與針對校外教師與學生的廣域網建設，具體如圖2所示。

圖2 平臺網絡拓撲示意圖

局域網中，訪問鋼琴即興伴奏平臺能夠完成鋼琴教學、查詢與播放教學曲目、人員管理等。校園內的師生在線訪問平臺實時作業(yè)上傳、伴奏下載、在線互動等。與此同時，身處校外的師生也能利用網絡訪問平臺，完成和校內用戶同樣的訪問操作。

2 基于Logic Pro的教學平臺軟件設計

Logic Pro軟件作為蘋果開發(fā)制作的專業(yè)音樂軟件，在融入教學平臺設計時必須考慮二者數據傳輸速度的兼容性。為確保所建平臺教學資源上傳及時性與可靠性，引入Logic Pro軟件，設計基于突發(fā)傳輸的鋼琴即興伴奏資源上傳速率優(yōu)化方法。

2.1 結合香農理論優(yōu)化信道傳輸

假設xt是平臺內的發(fā)送信號，ht是平臺沖擊響應函數，nt表示平均值是0、方差是1的高斯噪聲信號，將平臺接收信號記作：

yt=htxt+nt

(1)

按照香農理論[8]，平臺信道容量為

C=lg1+ρv

(2)

式中，v表示傳輸時段內信號功率均值，ρ為信道增益。

如果資源上傳端能準確得到ρ的量化值，平臺會將ρ分割成K個量化級別，將量范圍定義為Ωi。依次設定si、vi為量化范圍i的有效傳輸時間與功率，則傳輸速率均值表達式為

ER=∑Ki-1silg1+ρvi

(3)

2.2 平衡分配功率

鋼琴即興伴奏資源上傳速率優(yōu)化包含短期功率約束與長期功率約束兩部分[9]。短期功率約束中，若處于時段T，總功率是Pc，功率損耗P

sivi+σ=Pc?i∈1,2,…,K

(4)

為了得到最佳集合ρi，推算ER對ρi的偏導數，同時讓導數為0，明確Fρi+1的最佳數值：

Fρi+1=Fρi+

fρisilg1+viρi-si-1lg1+vi-1ρi-1?si?ρilg1+viρi+si??ρilg1+viρi

(5)

長期功率約束要明確ρi與vi。忽略功率狀況，將長期功率約束轉變?yōu)閮蓚€子優(yōu)化問題。假設vi處于已知的任意集合，找出一個局部最佳量化邊界集合ρi，利用注水方法[10]通過邊界集合ρi獲得vi的局部最佳功率分配值。在考慮計算功率前提下，運用交替最小化方法明確資源輸入端功率表與計算功率約束下的運算方案。

全局資源傳輸時段功率損耗有限，僅需平均功率約束滿足條件即可。若某部分量化范圍功率損耗高于約束功率Pc，得到如下公式：

∑Ki-1siPi≤Pc

(6)

Pi=sivi+σ,vi>0

0,vi=0

(7)

其中，Pi表示分配至量化范圍Ωi的功率。

使用β代表突發(fā)傳輸量化范圍的全部指標集合，則目標函數為

maxρi,vi=∑i∈βsilg1+ρivi+∑i∈βclg[1+ρi(Pi-σ)]

(8)

這時功率約束條件為

∑i∈βsivi+σ+∑i∈βcPi≤Pc

(9)

設定λ0與λi當作非負拉格朗日乘子，這時目標函數Q的表達式為

Q=∑i∈βsilg1+ρivi+∑i∈βclg[1+ρi(Pi-σ)]+λ0Pc-∑i∈βsi(vi+σ)-∑i∈βcPi+∑Ki-1λiP-0i

(10)

在集合β與βc內對式(10)進行偏導求解，若i∈β，得到：

?Q?Pi=?si?P-λ0+λi+c-λ0+λi

(11)

如果i∈βc時，得到：

?Q?Pi=gi1+giPi-σ-λ0+λi

(12)

針對鋼琴即興伴奏教學平臺內的突發(fā)傳輸范圍，為排除對偶間隙，Pi值一定要等于0，預防分配功率不均現象所導致的穩(wěn)定性較差的問題，為實現教學平臺的長期穩(wěn)定運行提供保障。

3 仿真實驗

為驗證所建平臺實用性，分別對平臺的功能與性能進行仿真測試。

3.1 平臺運行穩(wěn)定性測試

通過不同的功能測試驗證所設計平臺的穩(wěn)定性，功能測試即為使用測試用例來驗證平臺功能。以伴奏信息管理與教學管理為例，對兩個板塊實施功能測驗，結果如表1、表2所示。

表1 伴奏信息管理功能測驗表

表2 教學管理板塊功能測驗表

通過表1與表2的功能測試可以看到，平臺數據功能操作過程中，客戶端具備相對完備的校驗動作，不用經過服務端，在客戶端就能完成可靠的信息類別校準，防止臟數據的輸入，確保平臺教學資源質量，并在輸入完整鋼琴即興伴奏信息后，可迅速保存至數據庫內，測試結果滿足期望目標。

3.2 平臺響應時間測試

系統性能使用Loadrunner 9.5完成性能仿真實驗，利用在300并發(fā)虛擬用戶同時進行查詢操作，對平臺響應時間與吞吐量進行測驗。平臺響應時間仿真結果如圖3所示。

圖3 平臺響應時間仿真結果

從圖3可知，平臺在300并發(fā)虛擬用戶情況下，其響應時間均值是0.384 s，最高響應時間為2.354 s，最低響應時間是0.301 s。通常狀態(tài)下，300并發(fā)用戶訪問時，5 s之內就能符合設計目標，而本文平臺可以在1 s之內完成運行性能需求，表明了所建平臺實際應用的優(yōu)越性。

3.3 吞吐量測試

平臺吞吐量仿真實驗結果如圖4所示。

圖4 平臺吞吐量仿真結果

根據圖4可以看出，平臺在300并發(fā)用戶情況下，最高吞吐量是10 896.542字節(jié)/秒，最低吞吐量是8023字節(jié)/秒。所得結論完全符合預期平臺性能需要，可以保障鋼琴即興伴奏教學平臺的高效運行。

4 總結

為提高鋼琴即興伴奏教學平臺運行的穩(wěn)定性，完善網絡平臺教學質量，設計了基于Logic Pro軟件的鋼琴即興伴奏教學平臺。采用瀏覽器/服務器模式結構，構建教學平臺結構體系架構和網絡拓撲結構，運用Logic Pro軟件，結合香農理論，通過優(yōu)化信道傳輸，平衡分配功率，打造出高質量鋼琴即興伴奏教學資源，為學生建立一個良好的教學平臺，為實現教學平臺的長期穩(wěn)定運行提供參考。