曾侯乙編鐘演奏與創編虛擬仿真實驗設計與實現

李洪亮，楊和平

（浙江師范大學音樂學院，浙江金華 321004）

0 引言

2017年7 月，為貫徹落實習近平總書記關于強化實踐育人工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作會議精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》和《2017 年教育信息化工作要點》等相關要求，教育部決定開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作［1］。2018 年6 月，為學習貫徹黨的十九大精神，適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作［2］。2019 年11月，為著力解決真實實驗條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題，教育部決定將國家虛擬仿真實驗教學項目納入“雙萬計劃”國家級一流本科課程，國家虛擬仿真實驗教學一流課程［3］，以進一步深化和推動虛擬仿真實驗教學工作。建設至今，全國已認定的“國家虛擬仿真實驗教學一流課程”項目共700 余個，覆蓋了41 個專業類，168 個專業［4］。相關課程在實際教學中，尤其是在新冠肺炎疫情防控期間的教學中發揮了重要作用［5］。

曾侯乙編鐘是我國歷史上出土數量最多、重量最重、音律最全、氣勢最宏偉的一套編鐘［6］，是我國十二樂音體系中最早具有半音音階關系并且十二個半音齊備的一套完整特大型定調樂器［7］。它的出土，標志著我國的民族音樂早在2 000 多年前己達到相當高的水平，也標志著我國的冶金學、鑄造學以及樂律學等學科早在2 000 多年前已位居世界前列［8］。曾侯乙編鐘音色優美、音域寬廣、音列充實［9］，其煌煌巨制和優越性能，在世界樂器史上獨樹一幟，被國際學人譽為“世界第八大奇跡”［10］。曾侯乙編鐘既是中國音樂史相關課程的重點教學內容［11］，也是中國文化史相關課程的重要知識點，更是傳承和弘揚中華禮樂文明的重要器物［12］。然而，曾侯乙編鐘是國寶級文物，作為“鎮館之寶”常年典藏在湖北省博物館［13］，受其唯一性、易損性以及實驗空間等制約，現場實驗教學難以開展。

為解決曾侯乙編鐘現場實驗教學難以開展的問題，項目組以“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”［14］為建設標準，以國家虛擬仿真實驗教學項目的“8 個新時代的教學特征”［15］為設計目標，開發了一個可以進行理論學習、音名認知、樂曲演奏和音樂創編的曾侯乙編鐘虛擬仿真實驗，補齊了曾侯乙編鐘現場實驗教學不可及的短板。

1 實驗系統設計

1.1 整體設計思路

（1）知識、技能、素質有機融合。該實驗在設有基礎認知（知識）和演奏實踐（技能）模塊的基礎上，還增設了可用于培養綜合音樂素質的綜合創編模塊（素質）。知識-技能-素質，三層遞進、三位融合，不僅可以教授理論知識，培養演奏技能，還能進行音樂創編，有助于培養學生的綜合音樂素養。

（2）理論聯系實踐并注重創新。基礎認知模塊由理論認知和鐘音認知兩個子模塊構成，用于基礎理論知識教學；演奏實踐模塊由獨奏和合奏2 個子模塊構成，用于演奏技能訓練；綜合創編模塊由獨奏創編、合奏創編、樂譜創編3 個子模塊構成，用于創編（創新）能力培養。

（3）增加學習挑戰，科學“增負”。設計研究性、創新性、綜合性內容，加大學生的學習投入，科學“增負”，讓學生體驗“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰［16］。設計一個可以培養學生“綜合音樂素養”的實驗模塊（綜合創編模塊），促使學生進行研究性、創新性、綜合性學習，從而實現科學“增負”。

（4）教學與技術的深度融合。該實驗系統基于分布式系統Java語言開發，采用OpenGL技術渲染，應用TCP／IP協議通信，通過大數據、人工智能等現代信息技術進行實驗過程采集、實驗信息分析、實驗成績計算和實驗結果反饋。通過以上先進技術的應用，不僅增強了實驗場景的仿真度和實驗結果的可靠性，還增加了實驗課程的智慧性和趣味性。

1.2 實驗模塊設計

該實驗以基礎認知（基礎知識教學）-演奏實踐（演奏技能訓練）-綜合創編（創新能力培養）三層遞進、三位融合的思路導向進行模塊設計，學習內容由淺至深，學習目標由低到高。基礎認知模塊為演奏實踐模塊的學習提供必要的基礎知識，演奏實踐模塊為綜合創編模塊的學習提供必要的演奏技能，綜合創編模塊在對基礎知識和演奏技能進行進一步鞏固和深化的基礎上實現音樂作品的創編——創編能力培養。如圖1 所示。

圖1 三層遞進、三位融合模塊設計示意圖

（1）基礎認知模塊。基礎認知模塊由理論認知和鐘音認知子模塊構成，主要用于學生的基礎知識教學。理論認知子模塊包含曾侯乙編鐘簡介、外觀及構造解析、鐘名及音響認知和音位及奏法解析四個知識點，主要用于曾侯乙編鐘的基礎理論知識教學。鐘音認知子模塊是一個進行“鐘-音”認知訓練的教學子系統，主要用于鐘-音的認知教學。

（2）演奏實踐模塊。演奏實踐模塊由獨奏和合奏子模塊構成，主要用于學生的演奏技能訓練。獨奏子模塊可進行演奏的樂曲由《歡樂頌》《茉莉花》和《我和你》，合奏子模塊可進行演奏的樂曲為《竹枝詞》。獨奏子模塊用于學生的獨奏技能訓練，合奏子模塊則用于學生的合奏技能訓練。

（3）綜合創編模塊。綜合創編模塊由獨奏創編、合奏創編和樂譜創編子模塊構成，主要用于學生的創編能力培養。獨奏創編子模塊適合擅長器樂獨奏的學生進行創編實驗，合奏創編子模塊適合擅長器樂合奏的學生進行創編實驗，樂譜創編子模塊則適合作曲專業及及其他作曲理論知識比較扎實的學生進行創編實驗。

1.3 實驗考核設計

該實驗的實驗考核以客觀考核為主，主觀考核為輔。客觀考核主要側重對于理論知識以及音樂的基本要素（音高、速度、力度）的考核，主觀考核則側重對于創編音樂作品的藝術效果的主觀評價。客觀考核占83分，其中理論認知15 分，鐘音認知20 分，演奏實踐30 分，綜合創編18 分。主觀考核占17 分。演奏實踐模塊為“二選一”考核模塊，即學生只需選擇獨奏或合奏子模塊進行考核；綜合創編模塊為“三選一”考核模塊，即學生只需選擇獨奏創編或合奏創編或樂譜創編子模塊進行考核。具體賦分如表1 所示。

表1 實驗考核賦分表

2 實驗流程與操作步驟

2.1 整體實驗流程

該實驗從基礎認知模塊開始學習，在掌握基礎認識模塊相關知識的基礎上進行演奏實踐模塊的學習，在掌握演奏實踐模塊相關技能的基礎上再進行綜合創編模塊的學習。3 個模塊都以先練習（學習）再考核的順序進行，考核完成后再依次進行成績上傳（客觀分）、作品互評、分數回傳（主觀分）和實驗報告撰寫。具體流程如圖2 所示。

圖2 實驗流程示意圖

2.2 具體操作步驟

2.2.1 基礎認知模塊

（1）理論認知子模塊。登錄理論認知學習場景。依次學習曾侯乙編鐘簡介、外觀及構造解析、鐘名及音響認知和音位及奏法解析四個知識點（見圖3）。學習完成后登錄理論考核場景，依次答題，完成后點擊“提交”按鈕，系統呈現理論認知考核結果，如圖4 所示。

圖3 理論認知學習界面

圖4 理論認知考核界面

（2）中音認知子模塊。登錄鐘音認知實驗場景。點擊“開始”按鈕后系統隨即呈現目標音名，鼠標演奏目標音名的對應編鐘（音位）。若演奏正確，系統會顯示正確音名、“√”和得分，并隨機呈現下一個音名；若演奏錯誤，系統則顯示錯誤音名和“×”，并一直保持原目標音名不動，直至演奏正確音名（見圖5）。滿分或倒計時歸零時認知實驗結束，系統公布考核結果，如圖6 所示。

圖5 鐘音認知演奏界面

圖6 鐘音認知考核結果

2.2.2 演奏實踐模塊

（1）樂曲獨奏子模塊。登錄樂曲獨奏實驗場景。①選擇演奏曲目，聆聽示范音頻，熟悉樂曲譜例；②點擊“開始”按鈕并登錄獨奏編鐘設計場景，根據預設計劃，依次將獨奏所需的編鐘從右側的編鐘鐘架上拖拽至左側的獨奏編鐘鐘架上；③點擊“開始”演奏按鈕，聽著伴奏、看著譜例，以“左手鍵盤控制演奏力度，右手鼠標控制演奏速度和音高”的方式進行樂曲獨奏（見圖7）。獨奏結束，系統公布演奏結果并呈現提醒信息，如音高、節奏和力度的錯誤或偏離度等，如圖8所示。

圖7 樂曲獨奏演奏界面

圖8 獨奏結果及提醒信息

（2）樂曲合奏子模塊。登錄樂曲合奏實驗場景。①聆聽示范音頻，熟悉樂曲譜例；②點擊“+”鍵創建合奏房間，輸入房間名；③合奏成員各自選擇自己的演奏組別，并通過聊天工具確認各合奏成員是否就位；④各合奏成員各自登入自己的演奏場景，點擊“開始”演奏按鈕，聽著伴奏、看著譜例，以“左手鍵盤控制演奏力度，右手鼠標控制演奏速度和音高”的方式進行樂曲合奏（見圖9）。合奏結束，系統公布演奏結果并呈現提醒信息，如音高、節奏和力度的錯誤或偏離度等，如圖10 所示。

圖9 樂曲合奏演奏界面

圖10 合奏結果及提醒信息

2.2.3 綜合創編模塊

（1）獨奏創編。登錄獨奏創編實驗場景。①設置預創編音樂的節拍，調整預創編音樂的速度；②查看創編“須知”，調整編鐘大小、方位。③點擊“開始”創編按鈕，聽著節拍音響，以“左手鍵盤控制演奏力度，右手鼠標控制演奏速度和音高”的方式將想要創編的音樂獨奏至獨奏創編子模塊中（見圖11）。創編完成，系統生成客觀成績和作品音頻（可以直接試聽，也導出音頻文件后試聽）；若對創編作品不滿意，可以點擊“重新創編”，若對創編作品滿意，則點擊“上傳”，將創編的作品上傳至“作品互評”系統。

圖11 獨奏創編演奏界面

（2）合奏創編。登錄合奏創編實驗場景。①點擊“+”鍵創建合奏創編房間，輸入房間名；②通過聊天工具確認各合奏創編成員是否就位，就位后登入創編組，并按預設方案選擇各自的創編樂器；③點擊“準備”按鈕，各合奏創編成員各自登入自己的創編場景，查看創編“須知”，調整樂器大小與方位；④點擊“開始創編”按鈕，倒計時結束后各自以“左手鍵盤控制演奏力度，右手鼠標控制演奏速度和音高”的方式將想要創編的音樂合奏至合奏創編子模塊中（見圖12）。創編完成，系統隨即生成客觀成績和作品音頻（可以直接試聽，也導出音頻文件后試聽）；若對創編作品不滿意，可以點擊“重新創編”，學生若對創編作品滿意，則點擊“上傳”，將創編的作品上傳至“作品互評”系統。

圖12 合奏創編演奏界面

（3）樂譜創編。登錄樂譜創編實驗場景，查看創編須知，設置預創編音樂的節拍和速度，點擊“+”或“-”添加或刪減小節。①輸入音符。選上需要創編的音符并移至譜面，確定輸入位置后點擊鼠標左鍵輸入創編音符，如圖13 所示。②修改音符。選上正確的音符，移至錯誤音符附近（錯誤音符變成紅色），點擊鼠標左鍵刪除錯誤音符，再次點擊左鍵輸入正確音符，如圖14 所示。③試聽音頻。直接點擊懸浮窗上的“播放”鍵試聽音頻，或點擊懸浮窗上的“導出音頻”鍵，導出為音頻后通過視聽軟件試聽音頻，如圖15 所示。④查看樂譜。拖拽譜表底部的“橫條”查看樂譜，或點擊懸浮窗上的“導出樂譜”鍵，導出為圖片后通過視圖軟件查看樂譜，如圖16 所示。⑤上傳音頻。試聽或查看樂譜后，若對創編作品不滿意，可以重新創編；若對創編作品滿意，則點擊懸浮窗上的“上傳”按鈕，將創編的作品上傳至“作品互評”系統。

圖13 輸入創編音符界面

圖14 修改創編音符界面

圖15 導出音頻試聽

圖16 導出圖片查看

3 教學成效與特色

3.1 實驗成效

該實驗自2019 年上線以來，已為多所高校的音樂學、音樂表演專業學生提供了10 余個批次的共享服務。截止2021 年底，僅在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上的共享人數達3 800 余人，具體應用情況見表2。

表2 曾侯乙編鐘演奏與創編虛擬仿真實驗應用情況

3.2 實驗特色

（1）實踐實訓、創編創新，有助于培養學生的實踐能力和創新精神。該實驗的演奏實踐模塊設有獨奏和合奏子模塊，不僅可以訓練學生的獨奏能力，還可以訓練學生的合奏能力。該實驗的綜合創編模塊設有獨奏創編、合奏創編和樂譜創編子模塊，學生可以根據自身的專業、偏好或特長等選擇一種最適合自己的創編方式進行音樂創編。演奏實踐模塊有助于培養學生的實踐能力，綜合創編模塊有助于培養學生的創新精神。

（2）協同交互、合奏合創，有助于培養學生的團隊協作能力和合作精神。該實驗不僅可以進行“單人人機”交互（演奏、創編），如奏獨、獨奏創編；還可以進行“多人人機”的協同交互（演奏、創編），如“云”合奏、“云”合奏創編。“多人人機”協同交互（演奏、創編），不僅有助于培養學生的團隊協作能力，而且有助于培養學生的團隊合作精神。

（3）智能計算、客觀評價，有助于提升實驗教學的智能性和準確性。該實驗不僅可以對學生的學習信息進行智能采集、挖掘和分析，而且可以通過基于大數據的物理引擎建立的多種數學模型對學生的學習成績進行智能計算并生成客觀成績。如獨奏子模塊，實驗系統不僅可以對學生的演奏數據進行智能采集、挖掘和分析，而且可以通過物理引擎建立的數學模型對學生的演奏結果（音高、節奏、力度）進行智能計算并生成客觀成績。

（4）“迭代”驗證、進階優化，有助于提高學生的音樂創編質量。該實驗以：設計（編輯／演奏）-驗證（試聽）-優化設計（再次編輯／演奏）-再驗證（再試聽）-再優化設計（再次編輯／演奏）-再驗證（再試聽）……的“迭代”循環的模式進行設計。學生在實驗過程中可以不斷的學習、不斷的優化設計——進階優化，直至創編出理想的音樂作品。

（5）禮樂傳承、樂教育人，有助于傳承和弘揚中國的禮樂文化。曾侯乙編鐘是中國禮樂文化的代表性器物，將其納入實驗教學，不僅可以增強傳統音樂理論課程的實驗性和實效性，而且有助于傳承和弘揚中國的禮樂文化。

4 結語

隨著信息技術的發展，虛擬仿真實驗教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段［17］。它不僅為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了先進手段、開放平臺和優質資源，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力［18］。曾侯乙編鐘演奏與創編虛擬仿真實驗通過一套虛擬的三維曾侯乙編鐘（模型）以及與之出土時代（戰國）相符的虛擬演奏場景開展實驗教學，學生在該實驗中不僅可以學習知識、訓練技能，還能創編創新，實現了綜合音樂素質的培養。該實驗身臨其境、聲情并茂，不僅具有較高沉浸感和良好的交互性，而且趣味、友好、靈活、自主，不僅可以拓寬傳統音樂教學的廣度和深度，延伸學生的學習時間和學習空間，激發學生的學習興趣和學習潛能，而且還可以培養學生的協同交互能力和合作創新精神。