基于数字化音乐课堂教学系统设计与实现

姜瑾文

摘 要： 数字化音乐课堂教学系统的设计应以音乐课堂教学特点为依据，完成了针对音乐课堂教学系统的设计与实现。根据目前音乐课堂教学的现状，以常用的音乐教学软件为基础，结合实际音乐课堂教学的自身特点，完成了对数字化音乐课堂教学系统的总体结构设计。系统由虚拟钢琴、乐谱编辑与演示3个核心模块组成，完成了各模块的设计与实现过程。

关键词： 教学系统; 数字音乐教学; 多点触控; 软音源

中图分类号： TP311.52

文献标志码： A

文章编号：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

随着计算机技术不断普及发展，音乐教学软件与硬件配置也在不断更新和完善，数字化音乐课堂教学是现阶段音乐教学的重点之一，各种音乐教学软件竞相出现在大众的视野里，但真正满足实际音乐课堂教学应用需求的系统软件却非常少，设计并实现—款符合音乐课堂实际教学需求的教学系统具有重要的现实意义[1]。

1 相关技术概述

WPF技术具备统一的编程语言、模型和框架，做到了界面设计与开发上人员的分离，同时提供给用户全新的多媒体交互的图形界面（3D界面）。WPF运行在.NET 下，统一了用户界面、图形、文档和媒体的描述与操作方法。其图形向量渲染引擎使6传统2D界面得到大幅改进， WPF提供了非常丰富的.NET UI 框架，更优质的视觉效果和功能广泛的控件模型框架;MIDI技术，MIDI（Musical Instrument Digital Interface）乐器数字接口 ，可解决电声乐器之间的通信问题，编曲界普遍使用MIDI的音乐标准格式，是一种计算机能理解的乐谱，MIDI记录音乐是通过音符的数字控制信号来完成的。一首完整的MIDI音乐大小仅为几十KB，却可包含几十条的音乐轨道。现代音乐大部分都是用MIDI与音色库完成制作合成的过程。MIDI 传输的是音符、控制参数等指令，而无需传输声音信号，就可完成对MIDI设备的指示工作， 如演奏某个音符、音量大小等，采用异步串行通信[2]。

2 系统总体设计

2.1 系统总体设计

由于基于数字化音乐课堂教学系统涉及到包含多个功能的多个模块，本文为了使系统内各模块间的协调运作得以顺利实现，在保证整体功能的基础上，同时兼顾系统的稳定性和可扩展性，对系统进行了总体设计，包括功能结构设计和功能模块设计2个部分。

2.1.1 功能结构整体设计

根据数字化音乐课堂教学系统的实际需求，本文划分了系统的整体功能，主要包括模拟钢琴模板（包括钢琴显示控制、钢琴弹奏、钢琴音效处理）、乐谱编辑模块（包括编辑初始化、乐谱编辑、乐谱显示）和乐谱演示模块（乐谱播放控制、乐谱显示控制、演示音效处理）3个部分，系统整体功能结构设计如图1所示[3]。

2.1.2 整体功能模块设计

功能结构整体设计的3个模块功能点分别为：钢琴弹奏模块需实现基本的钢琴放缩、钢琴键平移、钢琴弹奏等功能;

乐谱编辑模块需实现基础的打开或新建乐谱、编辑与预览乐谱、存储乐谱等功能;乐谱演示模块需实现。各个模块的功能点设计如图2—图4所示。

（1） 钢琴弹奏模块

鋼琴弹奏模块功能如图2所示。

（2） 乐谱编辑模块

乐谱编辑模块功能如图3所示。

（3） 乐谱演示模块

在音乐课堂教学中，播放演示是核心组成部分，乐谱学习过程中，相应的乐谱通过给学生播放演示，不仅能促进师生间的互动，还可使学生对乐谱的理解更加深刻。为了提高系统与课堂的结合程度，并保证播放效果，本系统结合音乐课堂教学实际情况，进一步丰富了课堂播放演示方式，包括单音轨/多音轨播放、多乐器选择播放、升降调播放、特定小节播放等方式，并通过特别处理实现优质播放效果。

乐谱演示模块功能如图4所示。

3 音乐课堂教学系统核心模块的实现

3.1 钢琴弹奏子模块的实现

该模块的主要负责完成钢琴的弹奏处理，包括确定钢琴键的具体位置，同时按下与释放多岗位钢琴键的操作，实现滑动弹奏钢琴键的处理过程等。作为模拟钢琴的核心模块，钢琴弹奏子模块的实现难度最大，而模拟钢琴的演奏效果取决于其实现的质量，为了满足对更好的交互友好性的需求，本文通过采用WPF呈现技术，并结合多点触控交互技术来实现。

3.1.1 钢琴弹奏子模块顺序流程图

启动模拟钢琴后，在初始化完成后进入钢琴显示界面，对弹奏事件的触发与否进行监听。在有弹奏事件发生后，需根据实际不同的弹奏事件完成相应的处理，处理结束后需对钢琴显示界面进行更新，从而使弹奏效果得以最终呈现，其具体的顺序实现流程如图5所示[4]。

3.1.2 钢琴音效处理子模块流程图

音效处理模块主要负责完成模拟钢琴发声效果的优化，通过对对发生效果完成特殊处理过程，使弹奏出来的声音质感更好更悦耳，进一步提高老师和学生的听觉体验效果，本文为实现更优质的发声效果，选用了添加软音源的方式完成该子模块的设计，具体音效处理模块的流程如图6所示[5]。

3.2 乐谱编辑子模块的实现

该模块的主要负责乐谱的编辑工作过程，主要包括拖拽修改五线谱谱号、调号与拍号;添加或删除乐谱附点、小节与音符等。作为乐谱编辑的核心模块，乐谱编辑子模块涉及到许多复杂的音乐规则，乐谱编辑的准确程度和稳定程度都取决于其实现的质量高低，为了进一步提高乐谱编辑及呈现的效果，本文采取WPF技术完成该模块的设计，乐谱编辑子模块具体的流程如图7所示。

编辑乐谱可由编辑菜单和符号面板实现，如新建带有两条音轨的乐谱，添加或删除音符附点同样可以通过编辑菜单实现，乐谱谱号、调号、拍号的修改则可以通过左边符号面板实现。

3.3 乐谱预览及保存子模块的实现

该子模块主要负责完成乐谱编辑后的相关处理工作，核心组成部分为乐谱的预演奏与保存等功能，己编辑乐谱的及时预览需由乐谱预演奏功能实现，有助于乐谱中问题的发现及对应的改正操作，进一步简化了音乐教师的课堂教学流程，本文在界面实现上，该子模块采用了WPF技术，在演奏和保存乐谱模块的实现上，使用了MIDI技术，同时为了进一步提高预演示效果，在对音效的处理上本系统应用了VST软音源技术。乐谱预览子模块具体流程如图8所示[6]。

3.4 乐谱显示控制子模块的实现

该模块主要负责乐谱演示的显示效果方面的控制工程，主要包括放大/缩小乐谱，钢琴乐谱的显示与否，完成切换钢琴乐谱的位置等。通过各种显示效果的设置，简化老师和学生使用的使用过程，使演示效果更加直观，本文主要采用WPF技术完成该模块的设计。

乐谱显示控制子模块的具体流程如图9所示。

为了方便老师课堂演示钢琴弹奏效果，钢琴和乐谱位置切换可通过切换键直接实现，同时通过显示音调按钮对音调的显示与否进行直接设置，方便了学生对钢琴键和音符音调的直观查看。

3.5 乐谱音效处理子模块的实现

该子模块主要负责乐谱发声效果的改善工作，优化乐谱演示的声效，提高其专业性。作为乐谱演示的重要模块，乐谱音效处理子模块是实现的难点，综合各方面因素，本文采用开源软音源VST插件完成改善乐谱音效的目的，该子模块的具体流程如图10所示[7]。

3.6 MIDI 音乐主旋律提取算法

该算法完成了FPGA设计，主要包括MIDI_top（顶层模块）、MIDI_rw（读写电路模块）、MIDI_cmp（数据比较电路模块）、MIDI_check（文件尾检测电路模块）、MIDI_exchange（数据交换电路模块）及MIDI_addrp（地址累加电路模块），MIDI 音乐主旋律提取算法整体的电路结构如图11所示[8]。

4 数字化音乐课堂教学系统的测试

通过对对系统各模块的测试，最终测试结果验证了系统所有功能的具体实现过程，保证了系统中各功能模块稳定运行。核心模块包括钢琴弹奏子模块、乐谱编辑子模块、乐谱预览及保存子模块、乐谱显示控制子模块、乐谱音效处理子

模块的功能也得以实现，为音乐课堂教学提供了技术支撑，简化了教师的授课流程，同时降低了学生实际学习及应用的难度。

5 总结

结合需求分析和总体设计，本文基于数字化音乐课堂教学系统的设计以音乐课堂教学特点为依据，完成了针对音乐课堂教学系统的设计与实现，根据目前音乐课堂教学的现状，以常用的音乐教学软件的需求为基础，结合实际音乐课堂教学的自身特点，完成了对数字化音乐课堂教学系统的总体结构设计，系统由虚拟钢琴、乐谱编辑与演示3个核心模块组成，并完成了各模块的设计与实现过程，为音乐课堂教学提供了技术支撑。

参考文献

[1] 连苹.信息技术时代高校数字化音乐教学的探索[J].大众文艺，2012（9）：281-282.

[2] 曲广强，关晓辉，杨永清，等. 基于WPF技术的教学信息查询系统设计与实现[J].东北电力大学学报，2014（6）：105-109.

[3] 刘子剀.简述电脑音乐制作及软音源[J].大众文艺， 2012（18）：19-20.

[4] 吳阅帆.基于内容的音乐信息检索[J].信息与电脑（理论版）， 2011（12）：65-66.

[5] 张玮.浅析白盒测试和黑盒测试[J].无线互联科技， 2013（6）：136-137.

[6] 吴万明.MIDI音乐的编配特点及后期处理[J].乐器， 2010（5）：82-85.

[7] 邢如飞.浅谈小学音乐课堂中音乐活动设计的有效性[J].新课程（上）， 2015（10）：88-89.

[8] 李娟，周明全，李鹏.MIDI主旋律特征提取构建音乐数据库[J].计算机工程与应用， 2011（26）：124-128.

（收稿日期： 2018.06.25）