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音樂技能計算機輔助系統(tǒng)與數(shù)字化教學模式
摘要：本文涉及一種音樂技能輔助訓練系統(tǒng)和與之相適應的創(chuàng)新音樂技能訓練數(shù)字化教學模式。系統(tǒng)通過對學習者的音頻、視頻及生理等的信息做出詳細分析，把練習實況全面保存在數(shù)據(jù)庫中，檢測其技能水平的變化，為教學和訓練提供直觀的視覺信息和系統(tǒng)的、全方位的科學參數(shù)，把抽象的技能理論和方法變成直觀的、易理解的圖像或數(shù)據(jù)，進而提高音樂技能訓練的科學性，提高音樂技能學習的效率。
關鍵詞：音樂藝術;音樂技能;高等教育;教學;計算機輔助系統(tǒng);數(shù)字化
一、引言
音樂技能訓練教學是音樂教育的重要內容。長久以來，計算機輔助教學在很多學科門類中得到了廣泛運用。然而，國內外對音樂技能教學訓練的數(shù)字化研究成果很少。作者試圖在研究過程中建立一套全方位的能夠在音樂技能訓練過程中使用的一種計算機輔助教學的數(shù)字化系統(tǒng)，擴展傳統(tǒng)音樂訓練的方式與方法，用數(shù)字化的手段提高音樂技能訓練的效率。
類似本課題的研究，比較有名的研究是“聲樂訓練中口腔鏡影像的分析”，20世紀中期以來，共振峰的研究、聲音的頻譜分析等，這些研究均與本文的研究角度不同。本文涉及一個音樂技能輔助訓練系統(tǒng)(Computer Assistant System of Mu-sicianship簡稱CASM)，系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)，即聲音(sound)與生理(Physiology)子系統(tǒng)。系統(tǒng)設計的目標是通過外部設備與計算機連接，把音樂技能訓練者的各種生理與音樂表達狀態(tài)全面采集到數(shù)據(jù)庫中，對學習者的音頻、視頻及生理等方面的信息做出詳細分析，通過系統(tǒng)軟件平臺顯示各種數(shù)據(jù)，提供直觀的視覺信息和系統(tǒng)的、全方位的科學參數(shù)，把抽象的技能理論和方法變成直觀的、易理解的圖像或數(shù)據(jù)，把練習實況保存在學生的學習質量情況數(shù)據(jù)庫中，檢測其技能水平的變化，進而提高音樂技能訓練的科學性。
以聲樂技能為例，它的教學與訓練是一個包括諸多因素在內的復雜體系，聲音的內容有：高低、強弱、長短、音色、吐字等，生理內容有：表演形態(tài)、呼吸、表情、姿勢、動作、方位等。因此，CASM系統(tǒng)是建立基于音樂知識與技能、生理知識、運動生物力學知識、錄音分析技術、視頻分析技術和現(xiàn)代信息技術等基礎上的。通過音樂訓練各種要素的數(shù)字化信息在教學中的運用，便形成了音樂技能訓練的數(shù)字化教學新模式。
CASM系統(tǒng)的研究與開發(fā)，是音樂技能教育領域里的一個全新課題，該課題是一項跨學科、跨領域的復雜的系統(tǒng)工程，本文因研究篇幅等因素僅涉及其中的部分內容，從聲樂訓練人手，僅對CASM系統(tǒng)的設計、音頻支持模塊、生物信號記錄模塊等幾個方面做出闡述。動作技巧訓練部分、平臺內核設計、數(shù)據(jù)庫設計、系統(tǒng)語言、數(shù)據(jù)處理、個案研究實例等內容在其他文章中論述。
二、基于CASM系統(tǒng)的訓練與教學模式創(chuàng)新構思
1、CASM系統(tǒng)的工作流程與創(chuàng)新教學模式
CASM系統(tǒng)在音樂技能訓練中的運用，是對傳統(tǒng)音樂教學方法的創(chuàng)新與延伸。在計算機輔助音樂技能教學中，必須把計算機輔助技術和音樂技能訓練有機地結合起來，才能實現(xiàn)教學模式的創(chuàng)新。在課堂教學中，傳統(tǒng)的教學一般對技能的要領描述是模糊的和不確定的，如氣息要撐住、放松等，沒有一個直觀的標準或者形象的描述。CASM系統(tǒng)的設計依靠計算機強大的計算能力，在一些基本物理定律的基礎上，通過計算來模擬和還原現(xiàn)實中的復雜細節(jié)。以此為依托，將現(xiàn)實中難以表達的細節(jié)通過計算機得到分析結果，從而極大地縮短練習時間、快速突破技巧瓶頸。使學生逐步擺脫所謂“音樂學習只可意會、不可言傳”觀念的束縛。使音高、節(jié)奏、強弱、呼吸、表情、共鳴等諸多因數(shù)有一個可以參照的數(shù)據(jù)，把晦澀的概念變成直觀的數(shù)據(jù)或圖表，這樣教師在教學過程中增加了很多參考數(shù)據(jù)，講解變得容易并且準確了，教學方法實現(xiàn)了轉變。
以計算機為中心的CASM系統(tǒng)為我們提供了龐大的數(shù)據(jù)存儲能力，它能夠將一個音樂專業(yè)學生的所有練習、比賽、演出的全部過程完整地記錄下來。音樂技能訓練帶有個性化的特點，每位教師采用的訓練手段各不相同，對來自學生的反饋的關注度也不一樣，因而訓練數(shù)據(jù)就具有很大輔助作用。
在這個輔助訓練系統(tǒng)的平臺上，我們將傳統(tǒng)音樂訓練指標分析的方法和教學內容設計到軟件里，從而能幫助學生和教師在日常訓練與管理中掌握和擴充專業(yè)知識，達到教學相長的效果。
利用同一個平臺上的存儲數(shù)據(jù)，我們還可以進一步對這些數(shù)據(jù)進行分析，從中尋找出學生的不同特性，進而輔助制定每個學生的練習計劃，總結技能訓練規(guī)律，將經驗加以驗證，使訓練達到科學化、系統(tǒng)化。
構建一個完整的輔助訓練分析系統(tǒng)，把計算機及周邊設備應用到音樂專業(yè)學生的日常技能技巧訓練中，這樣，傳統(tǒng)的學習流程就產生了變化。我們在傳統(tǒng)訓練流程的基礎上提出了CASM的訓練流程與教學模式。
上述表明CASM的訓練流程由兩個閉環(huán)組成，內環(huán)保持了傳統(tǒng)訓練模式的回路，外環(huán)是一個自我糾正的回路，兩個環(huán)嵌套在一起。內環(huán)比傳統(tǒng)流程僅在反饋回路上增加了“數(shù)據(jù)庫”和“計算機輔助分析”兩個模塊。“數(shù)據(jù)庫”將學生以往所有訓練的內容和效果等數(shù)據(jù)都記錄下來供分析所用;“計算機輔助分析”模塊則在“數(shù)據(jù)庫”的支持下，運用數(shù)據(jù)指標分析等方法，代替教師分析學生的身體狀態(tài)等內容。外環(huán)是新增加的一個回路，其中“常規(guī)訓練方法”是一個模糊概念，它包括訓練計劃、訓練手段、技術動作和訓練學方法等音樂表演技能的關聯(lián)要素。系統(tǒng)在取得各種數(shù)據(jù)以后，與對照組進行對比，顯示出技能水平的變化與差距。訓練者通過與CASM系統(tǒng)的互動，從而達到改變訓練要素，達到自我糾正的目的。
2、CASM系統(tǒng)中的教學過程互動關系
傳統(tǒng)的音樂技能教學在課堂上，教師與學生的關系是單向的，教師經驗式的指出問題的不足，課后訓練由學生通過記憶和有限的理解自己完成，沒有互動。交互性是課后音樂技能訓練的一個難題，CASM系統(tǒng)的交互式性設計變得尤為重要，良好的交互性將改變音樂技能訓練課堂教學的模式和課后練習的模式。
音樂技能訓練是一個實踐性與操作性強的領域，課堂教學可以通過教師與學生的互動來完成，課后訓練只能通過學生的自主練習來完成，課后訓練由于缺少了互動性使效果變得不理想，CASM系統(tǒng)的交互性，把課堂延伸到課后，實現(xiàn)學習方法的轉變。在課堂教學中，CASM系統(tǒng)可以作為輔助教學的工具，使課堂教學互動性更強，在課后訓練中，改變傳統(tǒng)的單線模式，增加互動環(huán)節(jié)，使課后練習與課堂教學緊密相連。配備了音樂技能計算機輔助訓練系統(tǒng)，就相當于學生在訓練過程中隨時會出現(xiàn)一位經驗豐富的“教師”在陪伴練習，有助于調動學生自主學習的積極性，提高學習效率。
三、CASM系統(tǒng)的設計
1、音樂技能輔助訓練系統(tǒng)的結構
音樂技能計算機輔助訓練系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、顯示和建議決策等幾部分組成。
系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)包括預設的訓練內容、周邊設備記錄的數(shù)據(jù)以及對比數(shù)據(jù)等，輸入采用多通道方式，系統(tǒng)輸出主要以圖像和聲音為主。
另外，從結構上還可以將系統(tǒng)劃分為三部分：第一部分是以數(shù)據(jù)庫為核心的訓練管理系統(tǒng)部分，包括數(shù)據(jù)的錄入和顯示、訓練進度管理，主要負責日常技能訓練信息管理;第二部分是以練習數(shù)據(jù)指標分析為核心的輔助系統(tǒng)部分，幫助教師監(jiān)測學生狀態(tài)、提出建議訓練內容;第三部分是以回放示范為核心的系統(tǒng)部分，幫助教師和學生改進訓練方案。訓練管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，主要對應數(shù)據(jù)庫;輔助分析子系統(tǒng)對應內環(huán)回路;回放建議子系統(tǒng)對應自我糾正外環(huán)。
2、CASM系統(tǒng)的功能與外部設備框架
系統(tǒng)的設計需要對音樂基本技能基本要素做出分析，以聲樂訓練教學為例，從歌唱的生理機制方面來研究。聲樂是一種歌唱技能，聲樂訓練是圍繞這一技能而展開的系統(tǒng)訓練。正確的發(fā)聲是由呼吸、發(fā)音、共鳴以及語言諸因素共同協(xié)調配合而成的，但它們也是互相牽制的，沒有任何一個因素能在發(fā)聲中單獨存在。我們的訓練過程無論是從呼吸人手也好，還是從共鳴位置人手也罷，最終都應是使整個歌唱機體處于最佳歌唱狀態(tài)的積累。因此，CASM系統(tǒng)在運用到聲樂訓練方面時兼顧到聲音和生理兩個方面的諸多要素，這些要素需要不同的外部設備與計算機連接來采集。
聲音模塊主要由錄音設備及其相應錄音軟件、音頻分析軟件、綜合平臺構成。系統(tǒng)能夠即時處理學生演唱、演奏所產生的信號，由錄音設備、錄音軟件采集聲音，由頻譜分析軟件分析聲音，提煉出音準與節(jié)奏、共鳴狀態(tài)等音樂訓練要素，再由錄音設備實現(xiàn)回放功能，對聲音的音準、節(jié)奏及演唱方法做出對比分析，最后指出問題的關鍵。
生理模塊主要由喉鏡、生命體征監(jiān)測儀、電子纖維鼻咽喉鏡及其相應圖像處理軟件分析軟件與綜合平臺構成。它能夠快速采集學生的演唱形態(tài)、呼吸過程、喉部生物特征等關于演唱方面的指標并對相關數(shù)據(jù)進行快速分析與對比。
系統(tǒng)給每名學生建立數(shù)據(jù)資料庫，在結合傳統(tǒng)教學經驗的基礎上，對每一階段教學內容進行量化分析，大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及其結果給教師與學生提供一個全方位的訓練參考數(shù)據(jù)。
1、系統(tǒng)的主界面
系統(tǒng)中的大量外部設備與計算機連接，記錄訓練數(shù)據(jù)并在主界面中顯示，主界面中的窗口有樂譜窗、參考波形窗、訓練波形窗、呼吸曲線窗、肌電曲線窗及錄音播放按鈕等。這些窗口顯示不同的數(shù)據(jù)，可供訓練者參考。
在主界面中的音樂庫中可以選擇需要練習的曲目與教學進度，選定曲目后樂譜窗中顯示相應的曲譜。在參考波形窗中顯示預置的示范波形，訓練波形窗顯示訓練者的波形。呼吸曲線窗顯示訓練者在訓練過程中的呼吸狀況，肌電曲線窗顯示訓練者肌肉緊張狀況。各種播放按鈕可以播放示范錄音和訓練者錄音。主界面中還有節(jié)奏分析、音高分析、斷句分析、共鳴分析等按鈕。這些窗口可以實現(xiàn)音準的準確性判斷、節(jié)奏與強弱的準確性、吐字發(fā)音的準確性、共鳴及歌唱聲音中泛音的水平、呼吸的量與呼吸運動參數(shù)、喉頭的情況、音樂表情表達、表演的體態(tài)動作的軌跡等功能。
2、CASM系統(tǒng)中聲音功能模塊
聲音子系統(tǒng)具有對聲音信號和音序器信號進行實時處理、將兩種信號進行比對、信號差異進行實時反饋三項系統(tǒng)功能。例如：系統(tǒng)在接收到一個人聲波形信號后，可以把該數(shù)據(jù)與標準樣本進行比較，判斷學習者的演唱是否正確。如果發(fā)現(xiàn)學習者的演唱有錯誤，則可以進一步確定錯誤發(fā)生的位置，判斷出錯誤類型。系統(tǒng)還可以播放提前預置的正確信號數(shù)據(jù)，供學習者參考。系統(tǒng)能統(tǒng)計出關鍵性錯誤，給出錯誤產生的原因及改進方法，以達到通過測試途徑而實現(xiàn)學習和訓練的目的。同時，考慮到測試的特點和學習者的要求，系統(tǒng)具有實時性。
此模塊涉及聲音方面的訓練內容，有節(jié)奏與長短、音高、斷句、共鳴等方面。這里重點提出樂句圖形比較和聲音的共鳴頻譜分析兩個部分。
(1)樂句圖形比較
樂句圖形比較，是一個通過聲音波形對參照者及訓練者的波形進行對比的窗口，窗口中實時顯示兩組波形。在播放過程中，學生能夠看到波形，在波形上可以直接看出音量的大小、歌詞的點、節(jié)奏的圖形、樂句的完整性。通過對比組信息，學生自己可以找出問題，然后進行自我糾正(其對比結果如圖4所示)。
(2)聲音的共鳴頻譜分析
歌唱的聲音是一種復雜的復合音。歌唱時人聲的基音頻率一般在100赫茲到1500赫茲的范圍之內。歌聲中除包含基音頻率外，還包含豐富的泛音和分音。傳統(tǒng)的教學訓練主要依靠經驗，運用“功能聽覺”判斷發(fā)聲的“胸腔、頭腔、咽腔、口腔、高位置共鳴”等抽象概念。CASM系統(tǒng)中的虛儀音頻頻譜分析功能可對聲音進行分析。在對聲音進行頻譜分析后，可以觀察到音樂的基音(音高因素)和各種泛音、分音(音色、共鳴因素)在不同的頻率段的聲強。這種分析方法得到的是對某一時間區(qū)域內的聲音頻率分析的平均譜，即“頻率譜”。實際上，它是一個歌唱的“頻率聲強分布圖”，展示了歌唱發(fā)聲的聲音在不同頻率的聲強概況。我們在這里從音樂聲學的角度給出一個比較具體的“聲音形態(tài)”的參照系，使我們不單能聽到聲音，還能從聲音轉換的可視圖形中看到聲音的變化。這種分析方法的特點是比較具體、直觀和精確。計算機提供的圖形和數(shù)據(jù)不單能客觀地反映音準、音強，還能夠輔助聽覺對歌唱發(fā)聲的音色、共鳴等因素進行更深層次的分析。
如圖5所示。選擇某個學生和參照者進行對比，結果發(fā)現(xiàn)，參照者除了在基音頻率位置出現(xiàn)聲音強度的高峰外，在2300-4600赫茲的泛音頻率區(qū)域還出現(xiàn)一個共振的高峰，一般稱為“第四共振峰”或“歌唱共振峰”。在教學中我們常說的“金屬般的聲音”就是這個歌唱共振峰所反映出的聽覺感受。而學生在基音頻率的高峰之后頻譜的聲強包絡線衰減下來之后，一般不出現(xiàn)明顯的歌唱共振峰。這樣共鳴就變得直觀易懂了。
3、CASM系統(tǒng)中生理功能模塊
首先，歌唱技能訓練的歌唱生理分析方面，聲樂教學離不開物質的材料，其本身與自然科學有著多方面的聯(lián)系，特別是醫(yī)學、音響學、生物學和物理學等學科的理論與技術在聲樂教學中得到了多方面的運用。對發(fā)聲器官缺乏了解，給人們對聲音概念的理解帶來困擾，聲樂教學活動就是對人聲這一“樂器”的科學認知――合理改造――自如運用的過程。因此，聲樂教學與歌唱技能訓練從了解歌唱生理開始。
在教學過程中，系統(tǒng)中設計多個CAI課件，利用計算機進行講解，讓學生對歌唱生理有一定了解，利用課件中的圖片對人的口腔、喉部、聲帶、胸部等做一個介紹;另外，系統(tǒng)利用纖維鼻咽喉鏡對學生的口腔等部位做觀測，結合CAI課件預設的知識，將兩者的數(shù)據(jù)信息進行比較，可讓學生看到的是自己發(fā)聲器官的生理結構，如聲帶的開合情況。當學生對自己用于歌唱的“樂器”構造有了一番詳細了解后，教師在歌唱訓練中就能夠更好地與學生溝通。實驗證明，通過喉鏡觀察到的效果最為直觀，可幫助學生很好地提高學習效果。
其次，在歌唱呼吸的數(shù)據(jù)分析方面，CASM系統(tǒng)中運用了幾種生理監(jiān)測設備，主要作用是監(jiān)測呼吸和呼吸肌肉群的運動狀態(tài)。呼吸方面的設備有呼吸力學監(jiān)測儀，能夠對呼吸進行力學監(jiān)測。呼吸不正確實際上就是呼吸肌肉群的動作不對。肌肉運動方面的設備是多通道生理信號采集處理系統(tǒng)。利用多通道生理信號采集處理系統(tǒng)測量分析肌電圖，監(jiān)測呼吸肌肉的活動情況，并進行調整，可達到有利于歌唱的呼吸狀態(tài)。
總之，研究音樂技能訓練的特點并針對不同的技能訓練要點建立一個音樂訓練的CASM系統(tǒng)，與一個智能專家系統(tǒng)相似，用計算機來代替音樂專家的一些工作。使抽象的概念與技能變得直觀，把一些模糊的概念用計算機數(shù)據(jù)或者圖像顯示，變被動學習為主動認知。既可以用于教學或訓練，也可以對表演者進行測試，使音樂評判具有一定的科學依據(jù)，并可以提出下一步訓練建議。建立該系統(tǒng)的意義還在于這一全新的系統(tǒng)發(fā)展了傳統(tǒng)的教學模式，打破了傳統(tǒng)音樂技能課程教學的局限性，形成了數(shù)字化的音樂技能教學新模式，對于深化音樂教學改革有一定意義。
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