钢琴在线教育智能化的一些设想——对两种美国在线教育模式的比较和基于“UI PIANOPED”项目的智能化探索

文/ 黄河清

在“互联网+”“AI+”的国家战略下，国内关于钢琴教育的智能化研究驶入了“快车道”，目前已有文献分析国内某些教学陪练软件，而分析国外同类产品的研究还较少。本文将利用几款美国主流的钢琴教学App来分析国外两种不同的钢琴在线教育模式，总结其优势与不足；并在调查分析一线钢琴教师的需求后，以爱荷华大学音乐学院的 “UI PIANOPED” 项目为基础，提出一项智能化解决方案。

一、美国的在线钢琴教育产品

笔者在调查中发现了两种不同的在线教育模式存在于美国市场，两种模式都以App为载体，不涉及智能硬件。

1. 全智能替代——以“Yousician”为例

“Yousician”是欧美市场上唯一一款主流的全智能替代钢琴教育软件，在全球市场上拥有超过2500万用户①。以手机/平板App为载体， “Yousician”用提前录制好的视频讲解配合智能练习系统指导用户学琴。视频讲解上主要侧重于乐理讲解和基本手型等基础理论知识，整个App主要创新在于其智能练习系统。理论上用户不再需要钢琴教师，只需要下载App配合自己的钢琴使用。

“Yousician” 使用了五种颜色来标记音符以替代数字指法，例如红色的音符使用5指，绿色的音符使用1指（见图1、图2）。笔者认为，此方法让乐谱和指法更加有机地结合，配以屏幕上的对应彩色键盘，使读谱和寻找对应琴键的过程都更加直观。德国研究者发现，这种利用颜色来标记指法的方式可以使初学者更快地决定每个音该使用哪个手指演奏。②

图1

图2

人机交互的学习方式使得“Yousician”的智能教育区别于传统的面对面授课。例如，在和弦练习中，“Yousician”在屏幕上弹出不同手形的和弦卡片和指法提示，在演奏者成功在钢琴上弹出正确的和弦后，再快速弹出下一张卡片，从而训练学生的和弦转换能力。（见图3、图4）而在旋律训练中，“Yousician”使用智能伴奏来使练琴不再单调。多元化互动教学的有效性在20世纪90年代就得到了证明③，研究者发现其效果与传统教学没有明显差距，但参与实验的学生对这种方式兴趣更浓。

游戏化和碎片化的任务设置贯穿了“Yousician”的学习过程。“Yousician”平台上有超过150个任务，分布于9个不同的难度等级④。把基础的技术训练（如音阶、节奏练习等）游戏化已是钢琴教育研究的一个主流方向，尤其在在线教育的各类产品中广泛应用。在一项针对游戏化练琴的效果的对照研究中，研究者发现实验组的学生在练习意愿和练习成果两方面都要优于对照组的学生⑤。碎片化的任务则为了尽可能减低其每个难度等级之间的差距。根据其团队成员詹姆斯·尼尔森（James Nielsen）所述，创造尽可能平缓的学习曲线有助于降低初学者的入门难度并保持他们的学习动力，但他们团队也意识到由此可能带来的过度重复问题⑥。

图3

图4

整个智能练习系统的核心是其实时纠错与打分系统，通过一个类似于“卡拉OK”的进度条，“Yousician”在不借助智能钢琴的情况下准确识别演奏者的错音和错误的节奏，并据此给演奏者打分和提出改正建议（见图5）。相较于每周一次的传统面对面课程，James Nielsen认为这是“Yousician”的最大优势。下一步他们希望通过人工智能技术让这套系统更具个性化，从而拉近与用户的距离。

图5

总的来说，“Yousicion”的产品设计合理，用户体验也具有吸引力。笔者认为，其最大的缺陷在于无法实时了解学生当前的演奏能力以及其心理状态。例如，它可以告诉用户弹错了哪个音，但并不能判断其为什么弹错，也就谈不上提出针对性的练习计划。在这个缺陷被克服之前，即使是在这类产品主攻的初学者市场，它仍然不足以替代钢琴老师的作用。而在现实中，更多的在线教育产品不寻求替代钢琴老师，而是作为钢琴老师的辅助工具出现。

2. 在线教育辅助

目前在美国市场上有多款钢琴教辅软件，如“SmartMusic”（见图6）、“Cadenza”和“Piano Maestro”（见图7）等。这类软件都是主打辅助钢琴老师提升日常教学效果和帮助学生在日常的练习中更有效率。在学生端，此类软件对学生提供任务型或游戏型奖励系统来激励他们完成练习目标，同时记录每日练琴时间，录制练习视频，部分软件也能智能判断练习的错误。在老师端，允许老师在上课中记录电子笔记并自动同步到学生文件，提前为学生预设练习目标和要求，实时追踪整个教学班每位学生的练习进度并且在线互动。

在一项加拿大学者进行的案例研究中⑦，研究者让钢琴老师在日常授课时使用“Cadenza”软件辅助教学并观察其效果。通过“Cadenza”，老师可以在课上设置下一周的各类练习目标，学生在周中在线提交练习成果或者疑问，并与老师互动，同时家长也能随时登录查看整个学习过程。与传统授课方式相比，学生认为通过“Cadenza”和老师互动更频繁，相信老师随时都关注着自己，因此练琴意愿更高，时间更长。老师则发现每节课之间的连续性更好，家长的参与度更高，并最终在加拿大的皇家音乐考级中取得了更好的成绩。参与实验的老师还发现在长期使用下，学生减少了重复性错误发生的概率并且练琴的纪律性更好。而在笔者与其他钢琴老师的日常交流中发现，此类软件的任务设置与反馈系统也适用于训练学生的视奏能力。

图6

图7

除了这类常见的在线教辅软件以外，社区分享式的教辅软件则提供了另一种路径。这类软件类似于音乐学生的微信朋友圈，鼓励学生分享自己的练习片段并且互相点赞评论。在一项实验性研究中⑧，研究人员追踪了一群10至15岁学生如何通过使用一款音乐交流类App（Practice Cactus）在二十周内改变了音乐学习的效果。通过这款软件，学生可以设定自己的练习计划并上传练习片段，同时点赞和评论其他同学上传的片段。在整个实验过程中，参与的学生分享了大量的音乐片段，并总体上对他人演奏提供了积极正面的评价。通过对参与者和其教师的采访，研究人员发现学生对于聆听自己和他人演奏的能力明显提高，认为音乐练习更加有趣，并且在心理认知上，从演奏（performance-based）音乐转变为参与（participation-based）音乐。钢琴在大多数时候都是独奏乐器，无论是演出还是日常练习，演奏者都处于一种“自我隔离”的状态，由这种状态所产生的无聊与焦躁往往成为初学者放弃这门乐器的原因，而这种模式的好处在于解决了钢琴练习中的孤独感。

在目前美国在线钢琴教育的两种分支中，无论是旨在替代钢琴教师的产品还是辅助陪练型的产品，其特点可以大致归纳为：具有某种程度的实时自动纠错功能，设计了某种基于奖励的练习方法以及在教辅类软件中，帮助老师电子化管理教学班并尝试提高学生的学习积极性。

二、基于“UI PIANOPED”项目的智能化设想

智能钢琴软件应该致力于解决基础钢琴教育中的共同难题。因此，笔者向世界各地的钢琴教师发出了超过70份调查问卷，以了解他们针对初学者到中等程度学生的教学需求。在完成本文时，一共收到26份有效答复，每位答复的老师均接受了回访。参与调查的钢琴老师来自于中国、美国、澳大利亚、智利及德国，涵盖了音乐学院教授、艺考培训老师和少儿钢琴工作室教师。针对选曲部分的调查数据如图8、图9所示：

黄酮含量测定：取1 mL样液于25 mL比色管中，用70%乙醇补充至12.5 mL，加入1.0 mL 5%亚硝酸钠溶液，静置5 min后加入1.0 mL 10%硝酸铝，6 min后加入5 mL 1 mol/L氢氧化钠溶液，摇匀，用70%乙醇稀释至刻度，静置10 min，在510 nm波长下测吸光值[12]。

选曲重复度较高和范围相对单一是大部分老师在这一阶段教学中所面临的主要问题。在回访中，大部分老师都反映了选曲范围较窄这一问题，并对此方向的研究充满兴趣，只有一位老师认为可选曲目充足。在对陪练/教辅软件认同度的调查中，只有一位老师推荐过智能纠错型陪练软件，只有三位老师有使用教学辅助软件的经验。通过回访可发现，未使用此类软件的老师大多对其效果缺乏了解与信任，以及担忧此类软件会使学生产生依赖性。基于以上问题，笔者利用爱荷华大学的 “UI PIANOPED” 项目提出了两项智能化解决方案⑨。

图8

图9

第一，通过为“UI PIANOPED”增加智能检索功能可以改善选曲范围较窄这一问题。“UI PIANOPED” 已对其所收录的三千多首乐曲建立了难度分级和简短的风格描述，如果钢琴老师可以通过关键词（如“难度三级”“踏板训练”“旋律训练”）从曲库中找到对应的曲目推荐，配合已有的示范视频，就可以第一时间评估此曲是否合适学生的当前程度，从而提高选曲的精准度。与传统教材和目前已有的智能软件相比，“UI PIANOPED”的曲库更大，可提供选择更多；而与单纯网络搜索相比，智能匹配可以减轻搜索难度。

第二，为“UI PIANOPED”增加音频对比。目前主流的智能陪练模式大多基于乐谱，其机械化的问题难以避免，也不能识别除了错音和简单节奏以外更复杂的问题。传统上，通过学习大师录音来进步是专业学生的必经之路。笔者认为，通过智能陪练来帮助初学者或业余学生在学琴初期更好地 “听录音” 是智能教辅软件的未来方向，也更易让教师接受。相较于乐谱对比，音频对比可以提供力度变化，弹性节奏等更复杂，更艺术化的建议。美国目前已有软件如“Precebe Music”和“Tonara”利用AI算法提供类似功能，但因为不具备自己的音频库，需要老师自己录制范例。但是，根据用户对“Tonara”的在线反馈，此软件目前还不成熟，体验极不稳定。目前学界也少见这一方向的研究成果⑩。

结 语

通过本文，笔者希望为国内的钢琴老师介绍目前国外钢琴在线教育的理念和现状，并提出一项解决方案以供参考。从目前已有的研究中可以发现，在实验环境中，基于“互联网+”和“AI+”的钢琴教辅类软件可以提高教育质量，提升教学效率。然而在现实环境中，此类软件距离真正的大规模应用还有很大距离。钢琴或是任何艺术种类最终都是服务于人与人之间的情感交流，而学生和老师之间的互动则是培养这种交流能力的第一步。笔者不认同全智能替代式的钢琴教育软件，但希望此类先进技术可以更好地服务于钢琴教育。

注 释：

①Anamaria Claudia ELi,“‘Yousician’ - Music Education Platform”, inTehnologii informatice side comunicatii in domeniul muzical(2017), Vol. 8, issue 1, pp.37-41.

②Matthias Weing, Amrei Röhlig, Katja Rogers, Jan Gugenheimer, Florian Schaub, Bastian Kònings, E n r i c o R u k z i o, a n d M i c h a e l W e b e r, “P I A N O: Enhancing Instrument Learning via Interactive Projected Sugmentation”, inProceedings of the 2013 ACM Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing Adjunct Publication(2013), pp.75-78.

③Roger B. Dannenberg, Marta Sanchez, Annabelle Joseph, Robert Joseph, Ronald Saul, and Peter Capell, “Results from the Piano Tutor Project”, inProceedings of the Fourth Biennial Arts and Technology Symposium(1993), pp.143-150.

④由于其六级以后才进入古典音乐曲目，并且每个难度等级之间的差别远远小于我国的主流考级，所以其九级水平也不能等同于我国大多数考级的九级水平。

⑤Heather Birch,Motivational Effects of Gamification of Piano Instruction and Practice.Canada: University of Toronto, 2013.

⑥Anastasiia Kozina, “Designing an Effective E-learning Experience”, Bachelor’s thesis, Tampere University of Applied Sciences, 2017.

⑦Rena Upitis and Philip C. Abrami, “Cadenza: An Online Tool for Transforming Music Learning,”inThe European Journal of Social & Behavioural Sciences(2017), Vol. 18, No. 1, 2261.

⑧Heather J. S. Birch, “Music Learning in an Online Affinity Space: Using a Mobile Application to Create Interactions During Independent Musical Instrument Practice”, Ph.D. diss., University of Toronto, 2018.

⑨“UI PIANOPED” 是爱荷华大学的一项钢琴教育研究成果，其包含了超过3000首从启蒙到中等难度的钢琴曲示范视频，是此类项目中收录曲目最多的视频库。此项目于2019年获得美国 “弗朗西斯·克拉克键盘乐器教育奖”（The Frances Clark Keyboard Pedagogy Award）。这个项目的价值在于提供了大量简易/少儿钢琴曲的唯一示范录音。目前是视频平台“YouTube”上订阅人数最多、播放量最大的同类频道。

⑩参见appgrooves.com/app/tonara-by-tonara-music/negative。