鋼琴智能教育的產品設計研究

摘要：基于人工智能技術的廣泛應用，AIOT技術成了智能教育行業的一大發展助力。藝術教育是智能教育發展中的一環，人們往往將鋼琴當作啟蒙教育的首選樂器。以AIOT技術為基礎，以鋼琴學習智能化設備為載體，將AIOT技術與5G技術、電子信息技術相融合，設計出一款新形式的鋼琴智能教輔產品，提升鋼琴智能教輔設備的智能性和系統性，進一步增強人機協作和鋼琴演奏的能力。

關鍵詞：人工智能；產品設計；AIOT技術；鋼琴教育教育模式隨著人工智能技術的發展和互聯網移動設備的普及而發生改變。智能教育是現階段教育發展的重點研究方向，教育部從2017年至2019年先后將“智能教育”寫入《新一代人工智能發展規劃》《教育信息化2.0行動計劃》，2019年3月教育部在北京召開“智能教育戰略研究”研討會，促進人工智能、大數據、物聯網等新興技術支持下的教育模式變革與重構。藝術教育是智能教育全面化實現的一個環節，鋼琴教學方法進行多技術結合后相較于傳統教育模式發生了變化，市場上出現了越來越多的互聯網+鋼琴輔助的教學產品。智能產品作為未來智能教育的載體和人機交互窗口，為個性化學習和個別化學習的實現提供了技術保障。通過5G技術、AIOT技術、電子信息技術等多技術融合將為鋼琴教學帶來新的思維模式和教學方式［1］。

1AIOT技術在鋼琴教輔產品中的應用

AIOT技術是構建一種更高級形式的智能化生態體系，以5G技術為基礎將AI（人工智能技術）和IOT（物聯網）連接起來，成為高寬帶、大連接、低延時的一個通道，AIOT技術在實際應用中的落地將AI技術和IOT技術融合把IOT提升到人工智能層次，智能化教育是人工智能技術應用的一種，AIOT可以通過AI和IOT技術的連接把數據、連接、用戶、流程、可視化等應用加入智能教育當中。通過人工智能產品與AIOT技術結合創造出更全面、更具有智能化的教育模式，利用AIOT技術讓用戶、教育方式、教學者之間的聯系更緊密，通過AIOT技術實現萬物數據化、萬物智聯化［2］。

AIOT技術系統性智能模型。以AIOT技術為樞紐利用智能化建立一個多元化相互融合的模式，鋼琴教輔產品可以通過AIOT技術賦能將該技術運用到產品上讓產品變得更加智能化。學習空間呈現出物理空間、社會空間和信息空間三元世界的完美融合，加速走向人機結合的智能樣態。基于技術的創新教育既能適應學習者的學習風格和學習能力，也能為學習者的終身學習和發展提供支持。

智能產品的智能化系統借助電子信息技術、AIOT技術等可以實現大規模的個性化學習，采集不同學習者在不同環境下的學習狀態和學習程度的數據，根據所采集的數據進行精確地診斷做出相適應的教學干預，從而全面提升學習者的專業能力。學習者通過使用智能產品相對應的功能可以為學習者提供個性化學習相應的技術支持，AIOT技術從智能化產品終端中收集相應的學習數據形成一個AIOT為基礎的智能教育生態體系將智能產品、用戶、教學者3者相互粘合形成一個智能教育模型，如圖1。

2設計應用實例

2.1方案設計

依據上述智能教育模型對鋼琴智能輔助學習提出設計方案，隨著我國信息技術的飛速發展，智能手機、移動終端等成為人們日常接收信息的主要方式，因此在產品設計過程中考慮其便攜性，因此該設計方案主要以“智能設備+APP”相互聯動實現，APP主要為用戶提供信息可視化和信息接收，方案如圖2。使用者通過搭載AIOT技術的智能設備和APP進行學習、練習和系統進行交互，其在練習時所產生的數據會被收集在終端進行分析。每一位的用戶具有不同的學習背景，在初次使用時系統會對使用者進行初次數據采集，采集模式主要以測試為主。使用者初次使用時系統會自動與使用者進行交互提問，其含有樂理知識、學習程度、曲譜識別等功能。具有一定學習背景的使用者系統會使用現在鋼琴考級所使用的體系進行相對應難度測評，通過測評對使用者提出練習難度建議。對于沒有學習背景的使用者系統會根據默認模式從最簡單的理論知識和曲目進行引導式的學習和練習。

系統會對每一位用戶在學習的相對應階段進行智能干預。系統將理論知識和曲譜彈奏練習結合避免出現只會彈奏而缺乏理論知識的情況。用戶通過不斷的學習和練習可以進行相應的自測，使用者在自測通過后開啟下一階段的難度練習。分階段分難度式的方法可以更合理的幫助用戶學習，同時也可避免出現學習時跨難度的混亂現象。5G技術也搭載在設備中，根據5G技術的特點系統能快速采集數據和分析數據，系統采集使用者數據后在終端會根據用戶的行為習慣、練習時對某一個曲練習的熟練程度、練習時出現錯誤的次數、使用者所掌握的樂理知識、使用者的識別曲譜能力等各項在學習和練習時產生的數據進行實時的分析和判斷。

對未來的預測，也是大數據的一個重要應用領域，智能系統通過數據可提前對使用者提出相對應的建議并給出可視化數據分析結果，使用者可以根據系統反饋的數據結果情況進行自我調整，同時會將數據結果反饋給教學者，教學者可以根據數據對使用者進行更具針對性的教學［3］。

該方案能夠智能調節使用者學習狀態，及時反饋使用者的學習情況，能夠讓使用者快速提升在鋼琴學習上的各項能力。

2.2智能設備設計

智能設備以輔助練習和進行部分數據采集為主，智能設備以彩色廣角攝像頭、單片機、燈頭以及電路板為核心部件，智能設備主要有燈光牽引、手勢矯正、學習糾錯等功能。用戶使用時通過藍牙連接智能設備和APP，使用下載APP的手機或者平板電腦輸入想要練習的歌曲，APP數據庫會通過藍牙給單片機里的微型計算機（MCU）信號，MCU給接收信號后將信號進行處理反饋到電路板控制相對應的燈光亮滅，燈在相對應鍵盤上投射出燈光達到牽引的效果輔助用戶練習［4］。設備輔助練習運行原理，如圖3。智能設備搭載的彩色攝像頭有3個作用：（1） 使用者在不同場景鋼琴初次使用設備時，通過設備對鋼琴琴鍵進行識別校對確保牽引燈光能夠照射在相應的位置上。（2） 彩色攝像頭可以在多種環境中使用。（3） 彩色攝像頭可以在用戶使用時對用戶的練習姿勢、根據燈光牽引用按壓琴鍵位置進行捕捉和判斷達到學習糾錯的效果。

設備外觀通過不同形狀設計對比試驗后采用圓形設計，圓形的周長弧度可以更好地搭載相對應數量的燈頭并且周長對應的不同的角度投射出的燈光可以跟琴鍵的位置更加的貼合。光效作為一種展現產品狀態信息的視覺表現手法被廣泛運用。設備以燈光牽引為輔助練習的主要方式在設計時將燈光的顏色納入設計考慮范圍。動態的光效能引起高層次的社交與情感反饋。設備在設計時通過對光效進行對比后采用視覺沖擊強烈易于辨別的藍色和紅色兩種顏色，如圖4。由于產品的狀態被定義由特定的可識別的配置和特征組成的產品狀況屬性，因此設備使用藍色的作為投射牽引燈光，使用紅色作為錯誤提示燈光。方便用戶在練習時能清晰觀察到練習的對錯，同時也方便攝像頭進行畫面捕捉。設備設計時考慮到每一位使用者的反應速度和對曲目的熟練程度不同，用戶可根據自身情況通過定時器效果對燈光投射時間進行控制。

2.3APP方案設計

APP的方案設計主要圍繞功能架構進行。曲庫板塊：收入大量曲目包含考級所需內容、經典的古典樂曲目和現在流行樂曲目。所有類別曲譜以現有的考級體系進行難度分類。使用者需根據自身階段的難度進行學習和練習，只有用戶達到相對應的階段通過系統測試才能解鎖下一階段的曲目。課程板塊內容如下：為使用者提供線上老師教學、理論知識教學、曲譜識別等內容。課程內容為用戶提供鋼琴專業知識內容教學。工具板塊：含有節拍器、和弦和聲等內容。工具板塊為用戶提供樂器演奏的節奏感練習。社區板塊：為用戶搭建交流平臺，用戶可分享演奏視頻、在線交流學習感受等。排位板塊：為用戶提供線上排名，不同段位的用戶進行演奏比賽進行各段位各地區的排名，通過比賽的形式激發用戶的學習興趣。個人板塊：用戶可以通過個人板塊實時查看自己的練習和學習的數據反饋情況等，可以讓用戶及時做出相應的調整。良好的反饋設計可以讓用戶更好地了解到操作的結果與程序當前的狀態，減輕用戶等待過程中的焦慮，因此APP在登錄前的加載頁面設計開機動畫減少使用者的等待焦慮。APP功能更加完善后，可以讓學習變得更趣味化［5］。

3結論

萬物互聯時代的到來，智能產品會發展得越來越成熟。以搭載AIOT技術的智能教輔產品為基礎建立智能教育生態體系，使得鋼琴學習更具系統性。使用者通過鋼琴教輔設備在人工智能的干預下循序漸進地學習，為教學賦能。該設備可以讓學生和老師之間的聯系更加緊密。使用者能夠在該智能設備上精準掌握自身的學習動態、快速分析學習時產生的問題、及時進行學習修正。此設備能幫助使用者數據化地管理學習資料。就目前而言，這款設備在應用過程中還會存在一些問題，對其使用需合理有效的管理：（1） 此設備只能作為輔助方式為使用者帶來便捷的學習方式，不能完全依賴于它進行教育。人工智能盡管會深度學習，具有人所不能達到的知識儲備能力、數據分析運算能力，但教學者始終具有對學習者情感判斷、情緒排解等能力的不可替代性。（2） 它在智能教學過程中會產生用戶的大量數據，對于數據的保密性需要嚴謹對待防止數據泄漏對使用者造成傷害。（3） 此設備還可以進一步的提升。

參考文獻：

［1］顧小清，王超.打開技術創新課堂教學的新窗：刻畫AIoT課堂應用場景［J］.現代遠程教育研究，2021，33（2）：312.

［2］孫英芳.新媒體生態下的非物質文化遺產傳播與文化再生產［J］.新聞愛好者，2020（8）：7880.

［3］霍春曉，侯玉.大數據時代的老年人產品設計研究［J］.包裝工程，2019，40（12）：147150.

［4］譚浩，沈婕.基于視覺特征的智能產品光效交互設計研究［J］.包裝工程，2019，40（10）：107112.

［5］任英麗，常虹，谷巖帥.基于聯合分析法的非遺文化APP界面設計［J］.包裝工程，2022，43（6）：150156.DOI：10.19554/j.cnki.10013563.2022.06.020.

作者簡介：應云彪，男，浙江臨海人，碩士在讀，主要研究方向：藝術設計。