基于數字化音樂課堂教學系統設計與實現

姜瑾文

摘 要： 數字化音樂課堂教學系統的設計應以音樂課堂教學特點為依據，完成了針對音樂課堂教學系統的設計與實現。根據目前音樂課堂教學的現狀，以常用的音樂教學軟件為基礎，結合實際音樂課堂教學的自身特點，完成了對數字化音樂課堂教學系統的總體結構設計。系統由虛擬鋼琴、樂譜編輯與演示3個核心模塊組成，完成了各模塊的設計與實現過程。

關鍵詞： 教學系統; 數字音樂教學; 多點觸控; 軟音源

中圖分類號： TP311.52

文獻標志碼： A

文章編號：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

隨著計算機技術不斷普及發展，音樂教學軟件與硬件配置也在不斷更新和完善，數字化音樂課堂教學是現階段音樂教學的重點之一，各種音樂教學軟件競相出現在大眾的視野里，但真正滿足實際音樂課堂教學應用需求的系統軟件卻非常少，設計并實現—款符合音樂課堂實際教學需求的教學系統具有重要的現實意義[1]。

1?相關技術概述

WPF技術具備統一的編程語言、模型和框架，做到了界面設計與開發上人員的分離，同時提供給用戶全新的多媒體交互的圖形界面（3D界面）。WPF運行在.NET 下，統一了用戶界面、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2D界面得到大幅改進， WPF提供了非常豐富的.NET UI 框架，更優質的視覺效果和功能廣泛的控件模型框架;MIDI技術，MIDI（Musical Instrument Digital Interface）樂器數字接口 ，可解決電聲樂器之間的通信問題，編曲界普遍使用MIDI的音樂標準格式，是一種計算機能理解的樂譜，MIDI記錄音樂是通過音符的數字控制信號來完成的。一首完整的MIDI音樂大小僅為幾十KB，卻可包含幾十條的音樂軌道。現代音樂大部分都是用MIDI與音色庫完成制作合成的過程。MIDI 傳輸的是音符、控制參數等指令，而無需傳輸聲音信號，就可完成對MIDI設備的指示工作， 如演奏某個音符、音量大小等，采用異步串行通信[2]。

2?系統總體設計

2.1?系統總體設計

由于基于數字化音樂課堂教學系統涉及到包含多個功能的多個模塊，本文為了使系統內各模塊間的協調運作得以順利實現，在保證整體功能的基礎上，同時兼顧系統的穩定性和可擴展性，對系統進行了總體設計，包括功能結構設計和功能模塊設計2個部分。

2.1.1?功能結構整體設計

根據數字化音樂課堂教學系統的實際需求，本文劃分了系統的整體功能，主要包括模擬鋼琴模板（包括鋼琴顯示控制、鋼琴彈奏、鋼琴音效處理）、樂譜編輯模塊（包括編輯初始化、樂譜編輯、樂譜顯示）和樂譜演示模塊（樂譜播放控制、樂譜顯示控制、演示音效處理）3個部分，系統整體功能結構設計如圖1所示[3]。

2.1.2?整體功能模塊設計

功能結構整體設計的3個模塊功能點分別為：鋼琴彈奏模塊需實現基本的鋼琴放縮、鋼琴鍵平移、鋼琴彈奏等功能;

樂譜編輯模塊需實現基礎的打開或新建樂譜、編輯與預覽樂譜、存儲樂譜等功能;樂譜演示模塊需實現。各個模塊的功能點設計如圖2—圖4所示。

（1） 鋼琴彈奏模塊

鋼琴彈奏模塊功能如圖2所示。

（2） 樂譜編輯模塊

樂譜編輯模塊功能如圖3所示。

（3） 樂譜演示模塊

在音樂課堂教學中，播放演示是核心組成部分，樂譜學習過程中，相應的樂譜通過給學生播放演示，不僅能促進師生間的互動，還可使學生對樂譜的理解更加深刻。為了提高系統與課堂的結合程度，并保證播放效果，本系統結合音樂課堂教學實際情況，進一步豐富了課堂播放演示方式，包括單音軌/多音軌播放、多樂器選擇播放、升降調播放、特定小節播放等方式，并通過特別處理實現優質播放效果。

樂譜演示模塊功能如圖4所示。

3?音樂課堂教學系統核心模塊的實現

3.1?鋼琴彈奏子模塊的實現

該模塊的主要負責完成鋼琴的彈奏處理，包括確定鋼琴鍵的具體位置，同時按下與釋放多崗位鋼琴鍵的操作，實現滑動彈奏鋼琴鍵的處理過程等。作為模擬鋼琴的核心模塊，鋼琴彈奏子模塊的實現難度最大，而模擬鋼琴的演奏效果取決于其實現的質量，為了滿足對更好的交互友好性的需求，本文通過采用WPF呈現技術，并結合多點觸控交互技術來實現。

3.1.1?鋼琴彈奏子模塊順序流程圖

啟動模擬鋼琴后，在初始化完成后進入鋼琴顯示界面，對彈奏事件的觸發與否進行監聽。在有彈奏事件發生后，需根據實際不同的彈奏事件完成相應的處理，處理結束后需對鋼琴顯示界面進行更新，從而使彈奏效果得以最終呈現，其具體的順序實現流程如圖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責完成模擬鋼琴發聲效果的優化，通過對對發生效果完成特殊處理過程，使彈奏出來的聲音質感更好更悅耳，進一步提高老師和學生的聽覺體驗效果，本文為實現更優質的發聲效果，選用了添加軟音源的方式完成該子模塊的設計，具體音效處理模塊的流程如圖6所示[5]。

3.2?樂譜編輯子模塊的實現

該模塊的主要負責樂譜的編輯工作過程，主要包括拖拽修改五線譜譜號、調號與拍號;添加或刪除樂譜附點、小節與音符等。作為樂譜編輯的核心模塊，樂譜編輯子模塊涉及到許多復雜的音樂規則，樂譜編輯的準確程度和穩定程度都取決于其實現的質量高低，為了進一步提高樂譜編輯及呈現的效果，本文采取WPF技術完成該模塊的設計，樂譜編輯子模塊具體的流程如圖7所示。

編輯樂譜可由編輯菜單和符號面板實現，如新建帶有兩條音軌的樂譜，添加或刪除音符附點同樣可以通過編輯菜單實現，樂譜譜號、調號、拍號的修改則可以通過左邊符號面板實現。

3.3?樂譜預覽及保存子模塊的實現

該子模塊主要負責完成樂譜編輯后的相關處理工作，核心組成部分為樂譜的預演奏與保存等功能，己編輯樂譜的及時預覽需由樂譜預演奏功能實現，有助于樂譜中問題的發現及對應的改正操作，進一步簡化了音樂教師的課堂教學流程，本文在界面實現上，該子模塊采用了WPF技術，在演奏和保存樂譜模塊的實現上，使用了MIDI技術，同時為了進一步提高預演示效果，在對音效的處理上本系統應用了VST軟音源技術。樂譜預覽子模塊具體流程如圖8所示[6]。

3.4?樂譜顯示控制子模塊的實現

該模塊主要負責樂譜演示的顯示效果方面的控制工程，主要包括放大/縮小樂譜，鋼琴樂譜的顯示與否，完成切換鋼琴樂譜的位置等。通過各種顯示效果的設置，簡化老師和學生使用的使用過程，使演示效果更加直觀，本文主要采用WPF技術完成該模塊的設計。

樂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彈奏效果，鋼琴和樂譜位置切換可通過切換鍵直接實現，同時通過顯示音調按鈕對音調的顯示與否進行直接設置，方便了學生對鋼琴鍵和音符音調的直觀查看。

3.5?樂譜音效處理子模塊的實現

該子模塊主要負責樂譜發聲效果的改善工作，優化樂譜演示的聲效，提高其專業性。作為樂譜演示的重要模塊，樂譜音效處理子模塊是實現的難點，綜合各方面因素，本文采用開源軟音源VST插件完成改善樂譜音效的目的，該子模塊的具體流程如圖10所示[7]。

3.6?MIDI 音樂主旋律提取算法

該算法完成了FPGA設計，主要包括MIDI_top（頂層模塊）、MIDI_rw（讀寫電路模塊）、MIDI_cmp（數據比較電路模塊）、MIDI_check（文件尾檢測電路模塊）、MIDI_exchange（數據交換電路模塊）及MIDI_addrp（地址累加電路模塊），MIDI 音樂主旋律提取算法整體的電路結構如圖11所示[8]。

4?數字化音樂課堂教學系統的測試

通過對對系統各模塊的測試，最終測試結果驗證了系統所有功能的具體實現過程，保證了系統中各功能模塊穩定運行。核心模塊包括鋼琴彈奏子模塊、樂譜編輯子模塊、樂譜預覽及保存子模塊、樂譜顯示控制子模塊、樂譜音效處理子

模塊的功能也得以實現，為音樂課堂教學提供了技術支撐，簡化了教師的授課流程，同時降低了學生實際學習及應用的難度。

5?總結

結合需求分析和總體設計，本文基于數字化音樂課堂教學系統的設計以音樂課堂教學特點為依據，完成了針對音樂課堂教學系統的設計與實現，根據目前音樂課堂教學的現狀，以常用的音樂教學軟件的需求為基礎，結合實際音樂課堂教學的自身特點，完成了對數字化音樂課堂教學系統的總體結構設計，系統由虛擬鋼琴、樂譜編輯與演示3個核心模塊組成，并完成了各模塊的設計與實現過程，為音樂課堂教學提供了技術支撐。

參考文獻

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[2]?曲廣強，關曉輝，楊永清，等. 基于WPF技術的教學信息查詢系統設計與實現[J].東北電力大學學報，2014（6）：105-109.

[3]?劉子剴.簡述電腦音樂制作及軟音源[J].大眾文藝， 2012（18）：19-20.

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[7]?邢如飛.淺談小學音樂課堂中音樂活動設計的有效性[J].新課程（上）， 2015（10）：88-89.

[8]?李娟，周明全，李鵬.MIDI主旋律特征提取構建音樂數據庫[J].計算機工程與應用， 2011（26）：124-128.

（收稿日期： 2018.06.25）