基于ＭＡＴＬＡＢ軟件的大提琴輔助教學(xué)

在大提琴演奏中，要對(duì)音樂(lè)恰到好處的把握和淋漓盡致的表現(xiàn)，演奏者需要具有相當(dāng)?shù)难葑嗉寄?，而?duì)這種技能的教學(xué)就顯得尤為重要。大提琴演奏的教學(xué)過(guò)程一般以糾正學(xué)生演奏姿勢(shì)，校訂解釋譜例，闡述音樂(lè)等為主要內(nèi)容。教師通過(guò)對(duì)學(xué)生演奏姿勢(shì)的糾正、基本技巧的訓(xùn)練，使學(xué)生獲得良好的演奏技能，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂(lè)很好的詮釋。所以教學(xué)過(guò)程中教師首先要給予學(xué)生盡量準(zhǔn)確、清晰的指導(dǎo)，使學(xué)生可以獲取正確的演奏姿勢(shì)從而為下面的進(jìn)步打下良好基礎(chǔ)。

一般的教學(xué)過(guò)程中當(dāng)學(xué)生演奏姿勢(shì)不正確時(shí)，教師多以“胳膊抬高點(diǎn)”，“手形彎些”之類(lèi)抽象、簡(jiǎn)單的詞語(yǔ)，指出學(xué)生演奏中的不當(dāng)之處，因而教師常常無(wú)法（準(zhǔn)確的）給予學(xué)生（更）明白、（更）具體的，（特別是量化的）信息；而學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中由于概念抽象，只能依賴(lài)于聆聽(tīng)、模仿的手段來(lái)體會(huì)學(xué)習(xí)，以致于常常無(wú)法找到適合自己的演奏姿勢(shì)。特別是習(xí)慣于以模仿為主要學(xué)習(xí)手段的學(xué)生，常常因?yàn)闆](méi)有充分考慮到個(gè)人的身材、手掌大小的比例不同，盲目模仿教師的演奏而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不好。如果大提琴專(zhuān)業(yè)的學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)找不到正確的演奏方式，則進(jìn)步緩慢，難以完美表達(dá)音樂(lè)的內(nèi)涵，甚至由于演奏姿勢(shì)不正確還會(huì)導(dǎo)致肩周炎、腱鞘囊腫等疾病的發(fā)生。而對(duì)于那些初學(xué)者，因?yàn)闊o(wú)法完全準(zhǔn)確理解教師的意圖，找到正確的演奏姿勢(shì)往往需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，始終走不出糾正錯(cuò)誤、刻苦練琴、再糾正錯(cuò)誤的怪圈。

MATLAB軟件是美國(guó)MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件， 它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體， 是一個(gè)極其方便的、用戶(hù)界面友好的操作環(huán)境。MATLAB的應(yīng)用范圍極其廣泛， 如: 數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、系統(tǒng)仿真、自動(dòng)控制、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、科研所、大型公司或企業(yè)的工程計(jì)算部門(mén)，MATLAB也成為越來(lái)越普遍的計(jì)算分析工具。MATLAB語(yǔ)言是一門(mén)簡(jiǎn)單易用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，初學(xué)者花費(fèi)很少時(shí)間精通且具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算及數(shù)據(jù)處理能力，擁有600 多個(gè)工程要用的數(shù)學(xué)運(yùn)算、處理庫(kù)函數(shù)， 可以幫助完成信號(hào)與系統(tǒng)中的數(shù)值計(jì)算、頻譜分析等操作，具有出色的圖形圖像處理功能，非常好的數(shù)據(jù)可視化功能，可以快速、準(zhǔn)確、形象、直觀的得到可視化的計(jì)算機(jī)模擬與仿真圖像。

本文嘗試將MATLAB軟件引入大提琴教學(xué)，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的信號(hào)分析處理及可視化功能，針對(duì)不同演奏姿勢(shì)下大提琴演奏發(fā)音進(jìn)行信號(hào)分析及特性的圖示，協(xié)助學(xué)生建立演奏發(fā)音與不同演奏方式間直觀、具體、量化的聯(lián)系，以獲取最終良好的發(fā)音為目標(biāo)，從而更好地克服不良演奏習(xí)慣，以期對(duì)后面的教學(xué)過(guò)程有所幫助，提高大提琴教學(xué)效果。

一、 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文在實(shí)驗(yàn)室采集不同演奏姿勢(shì)下大提琴演奏發(fā)音以進(jìn)行信號(hào)分析。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示，相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟硬件設(shè)置為：

(1)采集卡為德國(guó)ICON公司Studio Works ICON 46 Pro3專(zhuān)業(yè)8通道數(shù)字音頻卡，PCI接口，最高采樣率192kHz，24bit，100dB動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)驗(yàn)中采集頻率設(shè)置為44.1kHz、單通道；

(2)采集聲音使用的麥克風(fēng)：美國(guó)Shure公司SM58單一指向動(dòng)圈麥克風(fēng)，指向性心型，頻率響應(yīng)50Hz-15kHz；

(3)計(jì)算機(jī)，Intel PIV 3.0G，512M內(nèi)存，80G硬盤(pán)；

(4)信號(hào)采集與分析軟件MATLAB V6.5；

(5)上海凌華制造大提琴， 該琴制造者曾獲美國(guó)提琴協(xié)會(huì)第16屆國(guó)際比賽大提琴音色獎(jiǎng)；結(jié)構(gòu)組成：類(lèi)似小提琴，但琴身大很多，琴弓稍粗且短；使用材質(zhì)：琴身：木制結(jié)構(gòu)，以槭木和云杉為原材料配合制造的音色最佳；琴弦：金屬絲；琴弓：馬尾。

(6)丹麥Larsen琴弦；

(7)德國(guó)Pirastro松香；

(8)法國(guó)De Lux 琴碼

(9)巴西蘇木琴弓

(10)信號(hào)采集時(shí)麥克風(fēng)距離大提琴0.5米。

二、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中采集了大提琴A弦和D弦演奏單音的聲信號(hào)，在演奏中分別采用了正確及常見(jiàn)的兩種錯(cuò)誤姿勢(shì)，共三種不同的演奏姿勢(shì)。兩種錯(cuò)誤演奏姿勢(shì)均為平時(shí)學(xué)生在練習(xí)空弦過(guò)程中典型、常見(jiàn)的錯(cuò)誤。具體演奏姿勢(shì)為：姿勢(shì)1：空弦演奏，以合理的空弦持弓及觸弦位置，其中觸弦點(diǎn)靠近琴碼，右手握弓松弛，琴弓與琴弦完全貼合，弓壓、弓速正常；姿勢(shì)2：空弦演奏，使用不正確的拉弦位置，其中弓與弦的觸弦點(diǎn)過(guò)高，弓與弦無(wú)法貼合，琴弓對(duì)琴弦的壓力無(wú)法實(shí)現(xiàn)，弓速難以控制；姿勢(shì)3：空弦演奏，使用不正確的握弓方式，其中拇指卡入弓桿里面與前面握弓桿的手指碰觸，極度緊張，手型變形，換弓極困難，琴弓與琴弦貼合過(guò)份，弓壓過(guò)大，弓速過(guò)快。

圖2 大提琴D弦不同演奏姿勢(shì)下發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜

圖2所示為大提琴D弦在不同演奏姿勢(shì)下發(fā)音經(jīng)過(guò)MATLAB軟件采集、分析的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，MATLAB信號(hào)處理中考慮到大提琴D弦發(fā)音主要集中在低頻段，頻譜分析范圍設(shè)定為0至3kHz。圖2(a)、(b)分別為姿勢(shì)1演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，可以從信號(hào)時(shí)—頻域分析所得量化特征中觀察到信號(hào)時(shí)域波形平滑，頻譜中基頻148Hz及一次諧波296Hz處能量大，其余高次諧波能量小，頻譜干凈、雜波少；圖2(c)、(d)分別為姿勢(shì)2演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，可以觀察到信號(hào)時(shí)域波形平滑程度降低、顯示出較多的毛刺，在頻域則出現(xiàn)較多基波和高次諧波以外的雜波成分；圖2(e)、(f)分別為姿勢(shì)3演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，信號(hào)時(shí)域波形的平滑程度、毛刺介于姿勢(shì)1和姿勢(shì)2之間，頻域體現(xiàn)為：高次諧波外的雜波略有增加，基頻強(qiáng)度顯著減弱。

圖3 大提琴A弦不同演奏姿勢(shì)下發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜

圖3所示為大提琴A弦在不同演奏姿勢(shì)下發(fā)音經(jīng)過(guò)MATLAB軟件采集、分析的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，MATLAB信號(hào)處理中考慮到大提琴A弦發(fā)音的低頻特點(diǎn)，頻點(diǎn)略高于D弦，頻譜分析范圍設(shè)定為0至4kHz。其中圖3(a)、(b)分別為姿勢(shì)1演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，可見(jiàn)信號(hào)時(shí)—域波形平滑，頻譜中基頻222Hz及諧波444Hz、666Hz處能量大，其余高次諧波能量?。粓D3(c)、(d)分別為姿勢(shì)2演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，可見(jiàn)信號(hào)時(shí)域波形平滑程度降低、毛刺較多，而頻域出現(xiàn)較多基頻和高次諧波以外的雜波成分；圖3(e)、(f)分別為姿勢(shì)3演奏時(shí)發(fā)音的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜，可見(jiàn)信號(hào)時(shí)域波形的平滑程度、毛刺介于姿勢(shì)1和姿勢(shì)2之間，在頻域基頻強(qiáng)度增加，2次諧波666Hz的強(qiáng)度明顯減小，高次諧波以外的雜波略有增加。

通過(guò)對(duì)圖2、3給出的MATLAB軟件信號(hào)處理結(jié)果進(jìn)行初步分析可以發(fā)現(xiàn)，正確演奏姿勢(shì)1及常見(jiàn)錯(cuò)誤姿勢(shì)2、3，演奏發(fā)聲的信號(hào)時(shí)—頻域特征具有共同的特點(diǎn)：姿勢(shì)1所演奏出的聲音時(shí)域平滑、頻域呈現(xiàn)出由琴弓激發(fā)琴弦各階振動(dòng)模式產(chǎn)生的有規(guī)律的基頻和各次諧波、頻譜干凈、雜音少，對(duì)應(yīng)的主觀聽(tīng)感表現(xiàn)為：演奏出的聲音扎實(shí)、干凈、醇美、豐滿(mǎn)、聲音洪大及具有穿透力；姿勢(shì)2則由于弓與弦的觸弦點(diǎn)過(guò)高，弓無(wú)法完全咬住弦，由此造成琴與弓間不完全接觸，琴弦出現(xiàn)各階振動(dòng)模式外的異常振動(dòng)，在時(shí)-頻信號(hào)分析中表現(xiàn)為時(shí)域波形毛刺多，頻域出現(xiàn)較多的雜波，對(duì)應(yīng)的主觀聽(tīng)感表現(xiàn)為聲音過(guò)虛、毛燥、音量偏小及缺乏穿透力；姿勢(shì)3由于持弓手型變形，琴弓激發(fā)出的基頻及各階諧波間相對(duì)強(qiáng)弱發(fā)生變化，聽(tīng)覺(jué)表現(xiàn)上為聲音干澀、吃力、呆板及尖銳刺耳。

三、在教學(xué)中的初步運(yùn)用

通過(guò)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)不同演奏姿勢(shì)下的大提琴發(fā)音進(jìn)行信號(hào)采集、分析及可視化，獲取以上關(guān)系后，將此方法引入實(shí)際教學(xué)中。在對(duì)20名大提琴初學(xué)者的教學(xué)中各進(jìn)行一個(gè)課時(shí)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：1）其中10人使用常規(guī)傳統(tǒng)教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生實(shí)際演奏保持正確姿勢(shì)、發(fā)出基本滿(mǎn)意的聲音的有6人，學(xué)生實(shí)際演奏無(wú)法保持基本正確姿勢(shì)、發(fā)出基本滿(mǎn)意的聲音的有4人。保持正確姿勢(shì)的能力者的比例為60%；2）其中10 人運(yùn)用MATLAB軟件將正確方法演奏下的聲音與學(xué)生演奏時(shí)錯(cuò)誤方法發(fā)出的聲音進(jìn)行分析對(duì)比，學(xué)生進(jìn)行觀察，直觀地看到與正確的方法間的差距，配合教師指導(dǎo)示范，進(jìn)行矯正，學(xué)生邊觀察、邊聆聽(tīng)、邊感覺(jué)，很快就可找到基本正確的姿勢(shì)。實(shí)際演奏中，保持正確姿勢(shì)，發(fā)出基本滿(mǎn)意的聲音的有8人，比例達(dá)到80%，比原來(lái)單一的口傳心授提高了20%。我們分析教學(xué)效果改善的主要原因在于：采用MATLAB輔助教學(xué)方法，學(xué)生可借助聽(tīng)感、肢體感覺(jué)、觀察頻譜顯示三種方式進(jìn)行演奏姿勢(shì)正確與否的反饋，從而及時(shí)糾正和調(diào)整自己的演奏姿勢(shì)，提高演奏效果，發(fā)出基本滿(mǎn)意的聲音。而傳統(tǒng)教學(xué)方法中只能利用前兩種，學(xué)生不容易理解老師講述正確姿勢(shì)的內(nèi)容，加上不同的學(xué)生之間理解的能力也有差異，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果參差不齊。

課后在學(xué)生中進(jìn)行的調(diào)查也表明，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生均認(rèn)可該教學(xué)輔助方法，并反映，采取可視化輔助教學(xué)后原本需要意會(huì)的學(xué)習(xí)過(guò)程，變得更直觀、更容易理解，而直接觀察到的頻譜圖則有助于理解老師的指導(dǎo)，更容易找到正確的演奏姿勢(shì)，記憶深刻，學(xué)琴的過(guò)程變得更加生動(dòng)，不再單調(diào)。通過(guò)該方法的初步教學(xué)實(shí)踐，我們體會(huì)到：音樂(lè)是講感覺(jué)、講意境的藝術(shù)，一般說(shuō)來(lái)無(wú)法用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或者語(yǔ)言來(lái)闡述，如果在基礎(chǔ)的教學(xué)過(guò)程中能引入MATLAB軟件進(jìn)行可視化輔助教學(xué)，將使音樂(lè)教育更加直觀、具體，教學(xué)效果更加理想，學(xué)習(xí)效率也可相應(yīng)提高。

四、小結(jié)

通過(guò)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)不同演奏姿勢(shì)下的大提琴發(fā)音進(jìn)行信號(hào)采集、分析及可視化，學(xué)生可以直觀地看到平常老師所說(shuō)的“手指出來(lái)些、雜音少些、咬住弦”等要求在時(shí)—頻域特征上的量化表現(xiàn)，從而對(duì)這些平時(shí)難以掌握的“一些”建立量化概念。由此可見(jiàn)，借助MATLAB軟件在大提琴不同演奏姿勢(shì)和對(duì)應(yīng)的演奏發(fā)音特征間建立初步的量化聯(lián)系，從而幫助學(xué)生更具體、形象的理解教學(xué)意圖，提高學(xué)習(xí)效率，改善教學(xué)質(zhì)量，使之在正確的、優(yōu)化的演奏姿勢(shì)基礎(chǔ)上對(duì)音樂(lè)的內(nèi)涵有更深刻理解和把握。本文只是針對(duì)全部大提琴教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)小部分進(jìn)行了闡述，以期將來(lái)可以對(duì)大提琴基礎(chǔ)教學(xué)有更多的借鑒作用，尤其是能對(duì)最終更好的闡釋音樂(lè)是一項(xiàng)有益的探索。同時(shí)，此輔助教學(xué)方法還可推廣至其它樂(lè)器及聲樂(lè)教學(xué)領(lǐng)域。

隨著多媒體教學(xué)的廣泛普及和深入應(yīng)用，基于MATLAB軟件對(duì)音樂(lè)聲音分析的這一功能的應(yīng)用，將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)口傳心授的音樂(lè)教學(xué)方法產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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劉洋 廈門(mén)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院音樂(lè)系

（責(zé)任編輯 張萌）