基于Arduino的交互吉他设计与实现

孙奥成

（长春师范大学国际交流学院 吉林省长春市 130000）

1 课题研究

1.1 课题的研究背景

2021年5月26日教育部体育卫生与艺术教育司司长王登峰在新闻发布会上提出：美育课堂要教会学生欣赏美、发现美，也要教给学生创造美的能力。由于我国当前对美育素质教育重视度不高，教育部出台“将音体美纳入中考，2022年全面实行”的方案，到2022年力争全覆盖，全面实行美育中考。教育部最新通知，高考艺术特长生将享受加分政策，全国53所高校率先响应艺术特长生加分政策。这意味着艺术特长生和艺考生将进一步提升高考中的地位。未来将会有更多省市将美育纳入中考，影响初中升高中考试的方方面面。艺术教育不再是少部分人的专利，将被更多学生和家长接受。

根据家长调研数据显示，在政策环境不断利好下，艺术类课程在家长为孩子选择的素质教育课程占比达到71.78%，成为最受欢迎的素质教育类型。与此同时，在艺术教育项目中，音乐教育的比例达到50.63%，占据家长希望孩子接受的艺术教育类型第一名。由此可以看出，我国众多家长在艺术教育的重视也在逐步加深。

1.2 本课题的研究意义

本项目通过智能化的方式为用户提供标准化线上教学模式及远程教学服务。本项目致力于解决行业痛点问题，带动传统艺术教育行业的发展。本项目专注于学生群体美育素质教育标准化线上教学及远程教学服务，打造“互联网+教育+标准化”电子教学平台，同时创建“远程一对一教学”、“个性化定制”的体系，带给用户完美的消费体验。

本项目将通过应用金属传感器网络技术，通过特质嵌入式金属传感器品丝及嵌入式LED智能模块与系统平台实现信息交互，给用户能够提供各种用户所需要的针对用户本人私人定制的个性化服务。同时使得相关教学人员能够在后台更加详细的了解用户的学习情况，更加准确、便利、高效的进行教学指导等相关工作。

本项目的优势在于：

（1）打破传统音乐教育对于时间空间的束缚。通过嵌入式金属传感器品丝及LED智能模块实现远程教学新模式。基于Arduino实现硬件软件信息交互，通过人工智能，计算机应用技术等现代智能化技术实现远程可视化音乐教学，让用户获得自由的学习时间和地点。

（2）解决当前线下培训机构教育效率过低情况。本项目产品可以通过信息交互实现吉他指板上的一对多可视化教学模式，让学生可以更直观的观看学习教师的指法，教师可以更清晰的发现学生的演奏问题。

（3）为用户提供标准化服务，系统可为不同学习阶段用户制定个性化学习计划，提供当前适合自己的课程内容。

（4）解决线下和线上自我学习效率不高的弊端。本项目通过使用嵌入式金属传感器品丝与系统间进行信息交互，可以通过用户按压琴弦接触品丝的过程中实现准确的信息交互，实现智能识错的功能，同时依靠LED智能模块提供可视化信息在吉他指板上，实现辅助教师用户教学和学生用户学习，自审自学的学习新模式。

（5）更低的课程价格。本项目通过平台提供线上可重复观看付费课程，搭配辅助教学，智能识错功能，为用户提供更低的课程价格。形成老师-智弹平台-学生的新型学习供应模式。

1.3 研究现状

2020年10月，中办、国办印发《关于全面加强和改进新时代学校美育工作的意见》，提出以提高学生审美和人文素养为目标，把美育纳入各级各类学校人才培养全过程，贯穿学校教育各学段。据了解，目前，全国已有不少省市推进艺术进中考。

放眼当前教育行业，市场竞争激烈，随着科技的不断发展，网络的不断流行，疫情期间，通过互联网实现远程教育的模式越发受到重视，越来越多的人将目光投入到用科技改变教育，传统教育模式显然将面临巨大的威胁。本项目通过精准的市场、客户与产品定位，差异化的市场运作，实现差异化的市场占位，建立全新智能吉他品牌经营是未来发展的方向。

本项目应用金属传感器网络技术，通过特质嵌入式金属传感器品丝及嵌入式LED智能模块与系统平台实现信息交互，在自己学习的过程中，依托LED智能模块与系统实现信息交互实现辅助教学功能，解决线上教学过程中对指法的要求问题；同时通过特质金属传感器品丝接收用户指法信息，在系统中判断正误后使用LED智能模块进行反馈，实现自审自查功能，强化用户体验；创建远程教学模式，用户间可以以系统为中介实现信息交互，将指法依托金属传感器实现远程交互，并通过LED智能模块实现可视化教学，强化了用户学习效率；同时可以依托金属传感器品丝与系统间的信息交互达到录制功能，在课后可以重复通过LED智能模块进行可视化播放，加强用户复习效果，以此更好地发展“音乐+互联网”这一目标。

1.4 论文的主要内容

基于本项目的实现，在研发本项目的时候所运用到的系统开发语言是当前主流的C、Java计算机编程语言。而基于Arduino开发智能信息交互吉他所需要面对的一系列问题和所需要实现的相关功能和任务需求，所以研发该系统整个过程所需要完成的主要任务包括以下几个方面：

（1）由于是进行线上信息交互，本系统在研发过程中要满足用户的所需要的各种不同类型的需求，并进行相关需求所需要进行的必要的流程性操作，在处理不同任务的时候的整体流程的设计，不同层次的划分，不同使用系统角色的分工处理等相关问题，学习，了解并运用相关的业务功能系统和必要的计算机应用技术。

（2）对于智能信息交互吉他的应用系统进行程序设计的开发等操作。

（3）通过相关知识的学习运用，实现结构计划和和理性设计的技术的运用。

（4）针对本系统的整体框架进行相关知识的补充学习，并根据本系统的特点进行相关型设计。

通过对本系统结构的设计与规划，本论文主要选择的是基于现有的较为完备的系统结构的基础上，通过设计和研发，为用户提供更便利、更高效、更实用的音乐线上教学平台及硬件。

2 系统设计

2.1 功能模块设计

信息交互吉他系统主要由线上的前端和后台及线下硬件三大部分组成，其中前端由普通学生及教师用户来进行操作使用，后台由系统管理员进行管理和操作。

2.1.1 学生用户前端模块

（1）用户注册：在系统首页有注册按钮，点击它，就能够进行用户注册，用户可以在注册界面填写相关的个人信息。

（2）登录模块：进入登录界面后，用户填写完成各项信息后，单击确定按钮就能够完成用户的登录操作。

（3）线上教学：在自己学习的过程中，依托LED智能模块与系统实现信息交互实现辅助教学功能，解决线上教学过程中对指法的要求问题；同时通过嵌入式金属传感器品丝接收用户指法信息，在系统中判断正误后使用LED智能模块进行反馈，实现自审自查功能，强化用户体验。

（4）远程一对一教学模块：创建远程教学模式，用户间可以以系统为中介实现信息交互，将指法依托金属传感器实现远程交互，并通过LED智能模块实现可视化教学，强化了用户学习效率。

（5）线下一对多教学模块：本产品通过搭载嵌入式金属传感器，配合LED智能模块间信息交互，在线下开展一对多可视化教学，让每个学生在课程中接受同等品质的教学效果，提高线下课程教学质量。

（6）系统留言模块：用户的各种意见和反馈，可通过意见栏进行反馈。

（7）用户管理模块：用户能够在登录后进入个人信息管理的页面，并且可以在这个页面进行个人相关信息的更改等。

2.1.2 教师用户前端模块

（1）用户注册：在系统首页有注册按钮，点击它，就能够进行用户注册，用户可以在注册界面填写相关的个人信息。

（2）登录模块：进入登录界面后，用户填写完成各项信息后，单击确定按钮就能够完成用户的登录操作。

（3）查询学生资料模块：教师端可以随时查看系统中已报名的学生资料。

（4）远程一对一教学模块：学生端可以通过网络远程连接教师端进行学习，打破时间空间束缚，实现远程一对一教学模式。

（5）线下一对多教学模块：本产品通过搭载嵌入式金属传感器，配合LED智能模块间信息交互，在线下开展一对多可视化教学，提高教师线下课程教学质量。

（6）开设课程模块：在向平台提出申请后可以随时开设自己的吉他课程。

（7）查询学生学习情况模块：教师可以通过app随时查看自己课程中的学员的学习情况。

（8）教学记录模块：在每次教学结束之后，系统自动记录本次教学情况。

（9）系统留言模块：用户的各种意见和反馈，可通过意见栏进行反馈。

（10）用户管理模块：用户能够在登录后进入个人信息管理的页面，并且可以在这个页面进行个人相关信息的更改等。

2.1.3 后台各项功能

（1）系统用户管理模块：管理员登入本系统后，能够操作系统的每一个功能。

（2）用户管理模块：前端的用户的各项信息可以通过用户管理模块使系统管理员能够对前端的用户信息实现相关的管理。

（3）订单管理模块：管理员通过后台管理前端消费者的各种订单。

（4）留言管理模块：系统管理员能够管理和回复前留言栏的每一条信息。

（5）系统简介管理模块：系统管理员对本系统的简介进行修改和更新。

2.1.4 用户硬件模块

（1）智能识错模块：通过安装嵌入式金属传感器于吉他指板上，通过与系统间网络连接使用户在按压琴弦接触品丝的过程中实现准确的信息交互，实现智能识错的功能。

（2）辅助教学模块：通过安装LED智能模块嵌入于吉他指板内，为用户提供可视化信息，实现用户自审自学的辅助教学新模式。

（3）远程一对一教学模块：本产品搭载嵌入式金属传感器，配合LED智能模块间信息交互，可实现远程真人教学，弥补当前线上音乐教学仅有视频教学的空缺，有效降低学琴难度。

（4）课后复习模块：可以依托金属传感器品丝与系统间的信息交互达到录制功能，在课后可以重复通过LED智能模块进行可视化播放，加强用户复习效果。

2.2 基于Arduino的信息交互吉他设计与实现

本系统的设计与实现共历经：前期准备，系统研发和系统测试三个阶段。

2.2.1 前期准备

（1）本项目面向全国中小学阶段至大学本科的青年音乐爱好群体及艺考学校琴行等教育培训机构进行《对于当前吉他教学模式满意度调查》问卷调查。调查研究学生群体对学习吉他的期望程度和对于当前市面普遍吉他教学模式的接受程度，不能接受的原因，以及对吉他学习的需求，以此来判断项目是否在学生群体具有可实施性。根据前期面向全国中小学阶段至大学本科的青年音乐爱好群体及艺考学校琴行等教育培训机构，来自全国13个省份，共计589名参与调研人员的调研结果，团队人员发现此项目具有很大的开发市场，线上教育的空缺等待我们开发利用。

（2）调查整理当前市场上已开发的智能吉他，如：Geek智能吉他，Poputar智能吉他等，通过分析此类产品的应用功能，比较其优势和弊端差别，从中得出此项目的创新点，在系统研发的过程中赋予该系统新的功能。

（3）拟采用UML实现系统建模，划分系统功能模块，并确定各功能模块之间的关联。

（4）调查本项目所需要的相关硬件材料并准备。

此外，通过请教物联网领域和吉他乐器设计领域的相关研究人员以及自身的研发团队讨论并确定智能信息交互吉他的研发日程和规划，为后期的产品研发和测试奠定一系列基础。

2.2.2 系统研发

（1）Arduino测试：设计并实现品丝与琴弦接触时产生的数据信息可以被系统接收到。

（2）实现方法：实现通过arduino基于C语言编译的基本接受及反馈方法及记录方法实现基于IO流传递间的信息交互基本功能。

（3）元件连接：实现基于arduino的智能LED灯模块与第一阶段便携方法间的连接，实现传感器与接收方法之间的连接。

（4）元件组装：对各元件进行细致分化并安装进入事先准备好的吉他中并进行测试。

（5）资料导入：将相关乐理基本和弦以数据形式录入软件并进行整理测试。

2.2.2.1 软件的设计与实现

拟采用SQL Server建立数据库，其中包含以下表：

（1）用户表：用于用户的注册、登录以及调取用户基本信息。

（2）管理员表：用于管理员的登录，使管理员登录后能对信息表中数据的管理。

（3）音频资源表：用于存储视频和音频的文件，供用户在线播放和下载。

（4）文字资源表：用于存储教材等文字资料，供用户在线浏览和下载。

（5）图片资源表：用于存储和弦等图片资料，供用户在线浏览和下载。

2.2.2.2 前台功能模块的实现

（1）用户注册模块：通过首页的注册链接进入注册页面，实现用户信息的录入，通过提交按钮将已经录入的信息发送到后台。

（2）用户登录模块：通过用户输入账号密码的形式，调取后台数据，根据用户输入账户信息进行数据库中数据的匹配。

（3）远程教学模块：当客户端使用远程教学功能时，客户端向后台服务器发送请求，实现用户两端的传感器与LED智能模块同步功能。

（4）文件上传和下载模块：用户端可实现音频以及文字资料的在线浏览和下载功能，管理员端可进行资料的上传。

（5）录制模块：用户通过点击录制按钮，使传感器将接收到的数据传输进后台服务器并存储，实现录制功能。

（6）回放模块：用户通过点击回放模块按钮，使后台服务器将相应数据传输到LED智能模块，实现回放功能。

2.2.2.3 后台功能管理模块的实现

（1）用户管理模块：通过用户注册提交的信息，服务器将用户信息存储到后台数据库的用户信息表中。管理员有权对该系统的所有用户实现添加、删除和修改的功能。

（2）学习资源管理模块：可对现有的音频以及文字资料进行添加、删除和修改，可拒绝发布上传的不合法资料。

（3）文件上传和下载管理模块：管理员和用户可上传学习资源，供其他用户在线浏览。

（4）管理员登录模块：用于管理员登录，从而对数据库中的数据进行管理。

2.2.3 系统测试

（1）本系统选用黑盒测试，对系统进行测试。除此之外，研发团队还会根据测试效果，撰写测试报告，保证系统各功能模块的正确运行，并对系统进行进一步的优化与改进。

（2）统计使用人数和使用情况，定期调查用户对系统的反馈情况。

（3）维护系统，及时发现并修正系统错误，保证系统运行的稳定性。

（4）按照用户反馈的信息和需求进行优化和更新系统。

（5）实现硬件成品，并在线下进行小范围试用，按照用户反馈适当进行调整优化。

3 存在的问题及风险

本项目通过智能化的方式为用户提供标准化线上教学模式及远程教学服务。本项目致力于解决行业痛点问题，带动传统艺术教育行业的发展。本项目专注于学生群体美育素质教育标准化线上教学及远程教学服务，打造“互联网+教育+标准化”电子教学平台，同时创建“远程一对一教学”、“个性化定制”的体系，带给用户完美的消费体验。

3.1 同类产品对比

除此之外，经过调研发现还有很多其他类似项目，在此列举几项具有代表性的项目：

对比于国内知名智能吉他品牌Geek，本产品的优势在于针对吉他初学者方面，发现初学者在学习吉他指法过程中，会经常出现误触导致和弦音不对的痛点，在其现有的可视化教学功能基础上，增加了智能识错及远程教学的功能，在用户使用本产品时可以实现智能检测错误并通过LED指示灯指出问题所在的功能，提高学习效率。

同时，本产品搭载嵌入式金属传感器，配合LED智能模块间信息交互，可实现远程真人教学，弥补当前线上音乐教学仅有视频教学的空缺，真人远程可视化教学互动模式对比视频教学可以更好的为学生制定当前个人学习计划，发现并解决当前学生的学习问题，提高用户使用体验，真正实现吉他就是老师，老师就是吉他。

对比于音乐教育软件GuitarTuna，本产品使用金属传感器品丝与系统间进行信息交互，可以通过用户按压琴弦接触品丝的过程中实现准确的信息交互，实现智能识错的功能，同时依靠LED智能模块与系统间的信息交互实现和弦图在吉他指板上的可视化。

对比于音乐教育软件Finger，本产品的优势在于通过软硬件信息交互制及时判断用户学习情况并对用户的错误操作提出提醒以及教学正确指法。

3.2 吉他教育与物联网技术结合之间存在的问题

任何一个平台在初期搭建，产品设计以及后期运营过程中都有自己独特的方向性和相应的使用价值，也会面向各色迥异的用户，因此初期都或多或少存在着一系列的问题，这就需要相应研发团队去挖掘，商榷，研讨和解决问题，同样基于Arduino的交互吉他也会面临着一些可解决的问题。

在本篇论文中仅列举两条具有代表性，针对性，关键性，极大影响性的问题，并列出相应的解决措施及方案。

（1）对于基于Arduino的信息交互吉他的需求量是本系统极为重视的问题，如果没有市场，没有用户需求量，本系统的研发意义就大打了折扣，因此项目面向全国中小学阶段至大学本科的青年音乐爱好群体及艺考学校琴行等教育培训机构，根据来自全国13个省份的共计589名参与调研人员的调研结果分析得出：虽然有一部分调查对象因为等待周期太长等原因而不愿意使用本平台，但是92.4%的调查对象都愿意使用此平台，因此本项目具有相当大的市场。

（2）系统设计与实现存在的技术问题。任何一个系统，任何一个平台都离不开技术的支持与研发。因此本团队深度学习研究了计算机网络技术，ASP.NET程序设计，web开发，人工智能与社会等多门课程，且对平台研发所需的C，Java等计算机语言已熟练地掌握和应用。在科学知识得到了足够的储备后，研发团队与多名此领域的研究人员共同探讨基于Arduino的信息交互吉他所存在的技术问题，并拟订了相应的解决方案。

（3）产品研发及生产销售过程中的风险问题。软件方面，APP软件的开发的主要风险均来自于两个方面，软件研发和人才流失。硬件方面，由于本产品对于硬件要求不高，容易出现其他已经占据市场的企业研发具有相同功能的产品。运输方面，本产品项目同时拥有线上销售网站和线下销售门店，针对于线上销售模式，本产品选择开设自己的官方网站,采用b2c垂直型电商销售模式，但与此同时在物流工程中，吉他作为易磕碰物品，可能会产生相应运输风险，出现货物损失问题。

4 总结

（1）该项目能够使普通用户有机会接受线上的吉他教学，能够让吉他教师无需要去固定场所，在交通上耗费财力，精力和时间。通过实现从教师端到学生端的完全同步，依托LED智能模块与系统实现信息交互实现辅助教学功能，做到指法的可视化，提高教学质量。

（2）平台提供的教学视频在课后可以重复通过LED智能模块进行可视化播放，让学员在课下也可以进行复习。同时可以依托金属传感器品丝与系统间的信息交互达到录制功能，在课后可以重复通过LED智能模块进行可视化播放，加强用户复习效果，以此更好地发展“互联网+音乐”这一目标。

（3）该项目能够吸纳用户，诞生于大学校园的项目将引起更为广泛的学生的群体的反响，结合当下国家政策的大力扶持，本项目将向学生群体敞开大门，一方面解决了学生学琴的问题，另一方面也为国家储备大量音乐的人才。

（4）本项目能够在线下开展一对多可视化教学，让每个学生在课程中接受同等品质的教学效果，提高线下课程教学质量。