音乐数字化教学辅助系统的设计与实现

习媛媛

摘 要：音乐学科对促进学生全面发展具有重要意义，而设计并应用音乐数字化教学辅助系统则能提升音乐教学质量。文章在对WPF、MIDI等音乐数字化技术进行分析的基础上，设计了具有虚拟钢琴、乐谱编辑和乐谱播放功能的音乐数字化教学辅助系统，在经过測试后，各项功能正常，基本满足音乐教学的需求。

关键词：音乐数字化;教学辅助系统;音乐教学

注：本文系江西省教育厅科学技术研究项目“音乐数字化教学辅助系统的设计与实现”（GJJ191467）的阶段性成果。

随着我国信息技术的快速发展，数字化系统被应用在社会生活的各个领域，教学领域也随之呈现出数字化发展趋势，越来越多的数字化产品被应用在教学实践中。在音乐教学中，设计一套音乐数字化教学辅助系统可以提升学生对音乐的感官感受，激发学生学习兴趣。当前，计算机技术已经得到广泛普及，这为音乐数字化教学辅助系统在教学实践中的应用奠定了扎实基础。鉴于音乐数字化教学辅助系统在我国教育实践中的应用还相对滞后的现状，本文根据音乐教学的实际需要对音乐数字化教学辅助系统进行了设计。

一、音乐数字化技术

传统的音乐教学方式主要依赖钢琴等乐器进行伴奏训练，而借助音乐数字化教学辅助系统可以实现伴奏音乐提前准备等，对于提升音乐教学质量具有一定帮助。音乐数字化教学辅助系统需要依赖技术支撑，此次设计的音乐数字化教学辅助系统主要应用了WPF技术和MIDI技术。

WPF是微软推出的开发技术，为用户提供统一的编程模型、语言和框架，集多种特性于一身，具备丰富的应用程序开发功能，能够实现明确分工，其动画机制灵活、易扩展。此次音乐数字化教学辅助系统设计中主要使用了DirectX硬件加速技术、数据绑定、用户控件与可扩展程序标记语言。基于DirectX硬件加速技术，用户可以创建高质量的矢量图并进一步渲染，使图像画质更加平滑。WPF技术中的数据绑定具有多方面优势，能够实现数据驱动UI。WPF中自带的控件丰富，同时用户可根据自己的需求对其中的控件进行自定义。基于可扩展应用程序标记语言，开发人员能够快速完成界面设计。

MIDI乐器数字接口技术可以为电子乐器定义各种弹奏码、音符，可连接电脑与乐器使之实现通信。在Windows中，MIDI文件为16进制文件，其格式为“.mid”，由文件头和音轨两个部分构成。其中文件头包含14个16进制数值，音轨代表乐谱中的声部，音轨数据包含时间差、事件，时间差采用tick的最小时间单位，MIDI事件包括音符、控制器、系统信息等。

二、音乐数字化教学辅助系统总体设计

音乐数字化教学辅助系统服务于音乐教学，因此系统设计必须依据音乐教学的特点进行，钢琴与乐谱是音乐教学中不可或缺的部分，因此在设计音乐数字化教学辅助系统时根据这一特点设计了三大模块。

第一，钢琴模块。数字化钢琴模块的设计有助于强化音乐教师与学生之间的弹奏互动。此次设计的钢琴模块包含了界面显示、弹奏和发声三个子模块。界面显示模块主要用于显示钢琴键按下和弹起的效果，设计该模块时综合考虑了音阶确定和键位清晰展示两个部分，通过对每个键的音进行展示帮助学生确定音阶，通过放大、缩小功能设计清晰展示弹奏键位;弹奏子模块主要对各类弹奏行为进行处理，既包括基本的单键、多键弹奏，还包括长按键弹奏等各种复杂的弹奏;发声子模块主要负责处理弹奏后的发声。

第二，乐谱编辑模块。乐谱是音乐演奏和音乐教学中不可缺少的成分，因此在音乐数字化教学辅助系统中设计了乐谱编辑模块以满足音乐教学的需要。此次设计的乐谱编辑模块采用五线谱记谱，分别设置了初始化、编辑、预览三个子模块。初始化模块设计了新建乐谱和已有乐谱编辑两个部分，用户可以创建一个新的乐谱进行编辑，也可以打开系统中已经存在的乐谱进行编辑;编辑子模块设计了音符添加、音符删除、拖拽修改三个部分，可以对各种音符、附点进行添加和删除，可以对拍号、调号、谱号进行拖拽修改;预览子模块主要用于显示绘制好的五线谱。

第三，乐谱播放模块。播放乐谱有助于提升师生之间的互动，对学生深刻了解乐谱具有重要作用。因此，此次音乐数字化教学辅助系统设计了一个具有多种播放形式的乐谱播放模块，基于该模块可以实现多种形式的播放需求，乐谱播放模块共设计了乐谱联动播放显示、播放控制和播放音效处理三个子模块。乐谱联动播放显示子模块主要用于钢琴位置切换、乐谱放大缩小、不同形式乐谱播放效果的显示;播放控制模块主要对音量、速度进行控制，同时包括循环播放控制功能;音效处理模块主要用于处理播放音效，提升音质。

三、音乐数字化教学辅助系统设计与实现

第一，钢琴模块的设计与实现。对于钢琴显示子模块，采用WPF技术实现各类缩放显示，以便于学生观看钢琴演奏细节。在启动虚拟钢琴后，系统进行参数初始化并显示钢琴界面，而后会对钢琴界面的控制操作进行监听，当监听到钢琴缩放、平移等界面操作时，做出相应处理，完成操作后回到显示界面，未监听到相关行为时则持续处于监听状态。

钢琴弹奏子模块综合应用了多点触控交互与WPF技术，在启动虚拟钢琴并完成初始化显示界面后，对钢琴弹奏事件（钢琴键按下、弹起、滑动）进行监听，监听到弹奏事件时做出相应处理。

在钢琴音效处理子模块通过软音源的方式优化发声效果，在启动音乐数字化教学辅助系统并完成VST音源加载后，当触发钢琴弹奏事件后，先将弹奏事件转化成VST事件，而后调用VST函数库完成播放。

第二，乐谱编辑模块的设计与实现。乐谱编辑模块功能主要基于WPF技术实现，在乐谱编辑初始化子模块，当用户选择新建乐谱后，系统对是否存在未保存乐谱进行判断，当存在未保存乐谱时，系统将其保存为MIDI格式乐谱，而后开始乐谱初始化设置，如果不存在未保存乐谱则直接进行初始化设置，可对曲谱的基本信息进行设置。乐谱编辑子模块，在开启乐谱编辑后进入待编辑状态，而后可选择音符、附点并将其添加到乐谱上，最终将音符添加到对应音轨。乐谱预览模块综合了VST软音源技术和MIDI技术，在停止乐谱编辑后，用户可对乐谱进行预览。

第三，乐谱播放模块的设计与实现。在乐谱播放显示子模块，用户可以打开待显示乐谱，并对乐谱显示进行更改。在乐谱播放控制子模块，在打开待播放MIDI乐谱文件后开启播放设置对话框，进行更改后则重新生成临时播放文件，可对播放音轨、音调、乐器等进行选择。在音效处理子模块，当启动系统后加载VST音源，打开并播放乐谱文件，调用VST函数库进行处理。

四、系统测试

在完成系统设计后，对系统功能进行了测试。

第一，钢琴模块测试。对钢琴模块的测试分别从钢琴缩放、平移和弹奏三个方面进行。在对虚拟钢琴缩放进行测试时，设置了两种不同的缩放标准，经过测试可以在不同的标准中实现自由缩放，通过手指和鼠标均能实现正常工作;在对钢琴平移功能进行测试时，能够在各种缩放标准下平移至两端;在钢琴弹奏方面，通过鼠标和手指分别进行单键按下、释放以及滑动弹奏，并对两种不同弹奏方式的音效进行对比，测试结果合格。

第二，乐谱编辑模块测试。分别对打开乐谱、编辑乐谱、乐谱预览等内容进行了测试。在打开乐谱测试时，能够顺利打开不同大小的乐谱，打开空乐谱时提示为空乐谱，打开其他格式文件时会提示仅支持特定格式文件。在未打开或新建乐谱时添加音符、附点提示乐谱为空，在按规则进行各种音符组合时，可以顺利完成，不符合规则时则会提示无法添加;操作删除音符、附点时，选择的音符、附点被顺利删除;谱号、调号、拍号的拖拽修改功能正常。预览乐谱时，可以缩放到不同比例。

第三，乐谱播放模块测试。首先，对不同音轨、音调、乐器进行选择，选择后能正常显示所选内容，未选择的不显示，设置不同乐器播放时的发声正常。其次，选取特定小节进行循环播放，选择单个或多个小节时均能正常循环播放，取消小节后则播放整个乐谱。再次，进行乐谱和钢琴聯动播放，联动播放时的各项操作正常。

总之，在音乐教学过程中，数字化教学辅助系统对提升音乐教学质量的作用不容忽视。本文以WPF技术、MIDI技术为主，结合VST软音源技术设计的音乐数字化教学辅助系统包含钢琴、乐谱编辑与乐谱播放的功能，能够满足音乐教学的基本需求，但还需要在教学实践过程中不断进行更新完善，以为音乐教学提供最大化的帮助。

参考文献：

[1]吴鹏.浅谈数字化教学资源对高中音乐教学的有效促进[J].科学咨询（教育科研），2019（1）：124.

[2]潘小英.依托“数字化”，构建高效音乐课堂[J].科学大众（科学教育），2015（5）：5，16.

作者单位：

南昌职业大学