音樂數字化教學輔助系統的設計與實現

習媛媛

摘 要：音樂學科對促進學生全面發展具有重要意義，而設計并應用音樂數字化教學輔助系統則能提升音樂教學質量。文章在對WPF、MIDI等音樂數字化技術進行分析的基礎上，設計了具有虛擬鋼琴、樂譜編輯和樂譜播放功能的音樂數字化教學輔助系統，在經過測試后，各項功能正常，基本滿足音樂教學的需求。

關鍵詞：音樂數字化;教學輔助系統;音樂教學

注：本文系江西省教育廳科學技術研究項目“音樂數字化教學輔助系統的設計與實現”（GJJ191467）的階段性成果。

隨著我國信息技術的快速發展，數字化系統被應用在社會生活的各個領域，教學領域也隨之呈現出數字化發展趨勢，越來越多的數字化產品被應用在教學實踐中。在音樂教學中，設計一套音樂數字化教學輔助系統可以提升學生對音樂的感官感受，激發學生學習興趣。當前，計算機技術已經得到廣泛普及，這為音樂數字化教學輔助系統在教學實踐中的應用奠定了扎實基礎。鑒于音樂數字化教學輔助系統在我國教育實踐中的應用還相對滯后的現狀，本文根據音樂教學的實際需要對音樂數字化教學輔助系統進行了設計。

一、音樂數字化技術

傳統的音樂教學方式主要依賴鋼琴等樂器進行伴奏訓練，而借助音樂數字化教學輔助系統可以實現伴奏音樂提前準備等，對于提升音樂教學質量具有一定幫助。音樂數字化教學輔助系統需要依賴技術支撐，此次設計的音樂數字化教學輔助系統主要應用了WPF技術和MIDI技術。

WPF是微軟推出的開發技術，為用戶提供統一的編程模型、語言和框架，集多種特性于一身，具備豐富的應用程序開發功能，能夠實現明確分工，其動畫機制靈活、易擴展。此次音樂數字化教學輔助系統設計中主要使用了DirectX硬件加速技術、數據綁定、用戶控件與可擴展程序標記語言。基于DirectX硬件加速技術，用戶可以創建高質量的矢量圖并進一步渲染，使圖像畫質更加平滑。WPF技術中的數據綁定具有多方面優勢，能夠實現數據驅動UI。WPF中自帶的控件豐富，同時用戶可根據自己的需求對其中的控件進行自定義。基于可擴展應用程序標記語言，開發人員能夠快速完成界面設計。

MIDI樂器數字接口技術可以為電子樂器定義各種彈奏碼、音符，可連接電腦與樂器使之實現通信。在Windows中，MIDI文件為16進制文件，其格式為“.mid”，由文件頭和音軌兩個部分構成。其中文件頭包含14個16進制數值，音軌代表樂譜中的聲部，音軌數據包含時間差、事件，時間差采用tick的最小時間單位，MIDI事件包括音符、控制器、系統信息等。

二、音樂數字化教學輔助系統總體設計

音樂數字化教學輔助系統服務于音樂教學，因此系統設計必須依據音樂教學的特點進行，鋼琴與樂譜是音樂教學中不可或缺的部分，因此在設計音樂數字化教學輔助系統時根據這一特點設計了三大模塊。

第一，鋼琴模塊。數字化鋼琴模塊的設計有助于強化音樂教師與學生之間的彈奏互動。此次設計的鋼琴模塊包含了界面顯示、彈奏和發聲三個子模塊。界面顯示模塊主要用于顯示鋼琴鍵按下和彈起的效果，設計該模塊時綜合考慮了音階確定和鍵位清晰展示兩個部分，通過對每個鍵的音進行展示幫助學生確定音階，通過放大、縮小功能設計清晰展示彈奏鍵位;彈奏子模塊主要對各類彈奏行為進行處理，既包括基本的單鍵、多鍵彈奏，還包括長按鍵彈奏等各種復雜的彈奏;發聲子模塊主要負責處理彈奏后的發聲。

第二，樂譜編輯模塊。樂譜是音樂演奏和音樂教學中不可缺少的成分，因此在音樂數字化教學輔助系統中設計了樂譜編輯模塊以滿足音樂教學的需要。此次設計的樂譜編輯模塊采用五線譜記譜，分別設置了初始化、編輯、預覽三個子模塊。初始化模塊設計了新建樂譜和已有樂譜編輯兩個部分，用戶可以創建一個新的樂譜進行編輯，也可以打開系統中已經存在的樂譜進行編輯;編輯子模塊設計了音符添加、音符刪除、拖拽修改三個部分，可以對各種音符、附點進行添加和刪除，可以對拍號、調號、譜號進行拖拽修改;預覽子模塊主要用于顯示繪制好的五線譜。

第三，樂譜播放模塊。播放樂譜有助于提升師生之間的互動，對學生深刻了解樂譜具有重要作用。因此，此次音樂數字化教學輔助系統設計了一個具有多種播放形式的樂譜播放模塊，基于該模塊可以實現多種形式的播放需求，樂譜播放模塊共設計了樂譜聯動播放顯示、播放控制和播放音效處理三個子模塊。樂譜聯動播放顯示子模塊主要用于鋼琴位置切換、樂譜放大縮小、不同形式樂譜播放效果的顯示;播放控制模塊主要對音量、速度進行控制，同時包括循環播放控制功能;音效處理模塊主要用于處理播放音效，提升音質。

三、音樂數字化教學輔助系統設計與實現

第一，鋼琴模塊的設計與實現。對于鋼琴顯示子模塊，采用WPF技術實現各類縮放顯示，以便于學生觀看鋼琴演奏細節。在啟動虛擬鋼琴后，系統進行參數初始化并顯示鋼琴界面，而后會對鋼琴界面的控制操作進行監聽，當監聽到鋼琴縮放、平移等界面操作時，做出相應處理，完成操作后回到顯示界面，未監聽到相關行為時則持續處于監聽狀態。

鋼琴彈奏子模塊綜合應用了多點觸控交互與WPF技術，在啟動虛擬鋼琴并完成初始化顯示界面后，對鋼琴彈奏事件（鋼琴鍵按下、彈起、滑動）進行監聽，監聽到彈奏事件時做出相應處理。

在鋼琴音效處理子模塊通過軟音源的方式優化發聲效果，在啟動音樂數字化教學輔助系統并完成VST音源加載后，當觸發鋼琴彈奏事件后，先將彈奏事件轉化成VST事件，而后調用VST函數庫完成播放。

第二，樂譜編輯模塊的設計與實現。樂譜編輯模塊功能主要基于WPF技術實現，在樂譜編輯初始化子模塊，當用戶選擇新建樂譜后，系統對是否存在未保存樂譜進行判斷，當存在未保存樂譜時，系統將其保存為MIDI格式樂譜，而后開始樂譜初始化設置，如果不存在未保存樂譜則直接進行初始化設置，可對曲譜的基本信息進行設置。樂譜編輯子模塊，在開啟樂譜編輯后進入待編輯狀態，而后可選擇音符、附點并將其添加到樂譜上，最終將音符添加到對應音軌。樂譜預覽模塊綜合了VST軟音源技術和MIDI技術，在停止樂譜編輯后，用戶可對樂譜進行預覽。

第三，樂譜播放模塊的設計與實現。在樂譜播放顯示子模塊，用戶可以打開待顯示樂譜，并對樂譜顯示進行更改。在樂譜播放控制子模塊，在打開待播放MIDI樂譜文件后開啟播放設置對話框，進行更改后則重新生成臨時播放文件，可對播放音軌、音調、樂器等進行選擇。在音效處理子模塊，當啟動系統后加載VST音源，打開并播放樂譜文件，調用VST函數庫進行處理。

四、系統測試

在完成系統設計后，對系統功能進行了測試。

第一，鋼琴模塊測試。對鋼琴模塊的測試分別從鋼琴縮放、平移和彈奏三個方面進行。在對虛擬鋼琴縮放進行測試時，設置了兩種不同的縮放標準，經過測試可以在不同的標準中實現自由縮放，通過手指和鼠標均能實現正常工作;在對鋼琴平移功能進行測試時，能夠在各種縮放標準下平移至兩端;在鋼琴彈奏方面，通過鼠標和手指分別進行單鍵按下、釋放以及滑動彈奏，并對兩種不同彈奏方式的音效進行對比，測試結果合格。

第二，樂譜編輯模塊測試。分別對打開樂譜、編輯樂譜、樂譜預覽等內容進行了測試。在打開樂譜測試時，能夠順利打開不同大小的樂譜，打開空樂譜時提示為空樂譜，打開其他格式文件時會提示僅支持特定格式文件。在未打開或新建樂譜時添加音符、附點提示樂譜為空，在按規則進行各種音符組合時，可以順利完成，不符合規則時則會提示無法添加;操作刪除音符、附點時，選擇的音符、附點被順利刪除;譜號、調號、拍號的拖拽修改功能正常。預覽樂譜時，可以縮放到不同比例。

第三，樂譜播放模塊測試。首先，對不同音軌、音調、樂器進行選擇，選擇后能正常顯示所選內容，未選擇的不顯示，設置不同樂器播放時的發聲正常。其次，選取特定小節進行循環播放，選擇單個或多個小節時均能正常循環播放，取消小節后則播放整個樂譜。再次，進行樂譜和鋼琴聯動播放，聯動播放時的各項操作正常。

總之，在音樂教學過程中，數字化教學輔助系統對提升音樂教學質量的作用不容忽視。本文以WPF技術、MIDI技術為主，結合VST軟音源技術設計的音樂數字化教學輔助系統包含鋼琴、樂譜編輯與樂譜播放的功能，能夠滿足音樂教學的基本需求，但還需要在教學實踐過程中不斷進行更新完善，以為音樂教學提供最大化的幫助。

參考文獻：

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作者單位：

南昌職業大學