人工智能背景下提升練琴效率方法研究

黃雅麗

（華南師范大學(xué),廣東廣州 510000）

在人工智能的發(fā)展中，音樂教育逐漸運(yùn)用智能鋼琴的教育方式，發(fā)揮人工智能優(yōu)勢(shì)，但是在應(yīng)用的過程中智能鋼琴也充滿了問題，但隨著時(shí)間的推移，人工智能也解決了許多教育問題，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類，并具有特定領(lǐng)域的能力。此外，AI不會(huì)感到疲勞、抱怨或罷工。人工智能也有無(wú)限的規(guī)模價(jià)值。換言之，大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，教師應(yīng)該運(yùn)用人工智能做好數(shù)據(jù)收集、分析、計(jì)算等工作，并在應(yīng)用的過程中加強(qiáng)人們的情感溝通和交流，更善于培養(yǎng)創(chuàng)新和創(chuàng)造力。

一、人工智能鋼琴簡(jiǎn)述

智能鋼琴不是電動(dòng)鋼琴。AI智能鋼琴在演奏的過程中，依然存在鋼琴的傳統(tǒng)特征。與電子鋼琴之間存在差異性，所以強(qiáng)調(diào)演奏者要擁有以往鋼琴學(xué)習(xí)過程中的傳統(tǒng)鋼琴演奏技巧。同時(shí)，愉悅傳統(tǒng)鋼琴不同的是，智能鋼琴包含很多現(xiàn)代技術(shù)，還有很多技術(shù)功能。我國(guó)的一些制造商和音樂學(xué)院開始合作，全面促進(jìn)AI鋼琴練習(xí)形式的應(yīng)用，真正地在教學(xué)中將AI鋼琴用于在線課堂教學(xué)中，為學(xué)生提供了與教師和學(xué)生互動(dòng)學(xué)習(xí)的體驗(yàn)。從而幫助學(xué)生的鋼琴練習(xí)變得更加有趣。人工智能鋼琴可以引導(dǎo)學(xué)生一對(duì)一練習(xí)、學(xué)習(xí)，還能完成相關(guān)的學(xué)習(xí)。目前的現(xiàn)代鋼琴實(shí)踐和教學(xué)帶來(lái)很大影響。

二、人工智能鋼琴練習(xí)

現(xiàn)階段的鋼琴教學(xué)具有十分復(fù)雜的特征，包含生理需要、心理學(xué)、音樂，理解等多樣化的教育內(nèi)容。當(dāng)前智能鋼琴的出現(xiàn)給學(xué)生鋼琴練習(xí)產(chǎn)生怎樣的變化是目前需要思考的主要問題。而且還應(yīng)該分析在教學(xué)的哪個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)該運(yùn)用智能鋼琴代替?zhèn)鹘y(tǒng)課堂教師教學(xué)方式？需要與教師合作做什么？教師必須自己做什么工作？

（一）鋼琴基礎(chǔ)教學(xué)階段

在鋼琴基礎(chǔ)教學(xué)中，為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鋼琴演奏基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)能力，學(xué)生基本手型、相關(guān)坐姿、按鍵模式、節(jié)奏、頻譜識(shí)別等訓(xùn)練是最基本的。這其中的每個(gè)教學(xué)都需要家長(zhǎng)和教師之間配合完成。目前很多鋼琴教師為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通常運(yùn)用快樂教學(xué)的方式開展教學(xué)，但是教學(xué)效果不理想。通過智能鋼琴的應(yīng)用，可以給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)興趣和結(jié)果。教師完成鋼琴教學(xué)任務(wù)后，并不能隨時(shí)的陪伴學(xué)生練習(xí)鋼琴、學(xué)習(xí)彈奏節(jié)奏和練習(xí)基礎(chǔ)等工作。學(xué)生家長(zhǎng)會(huì)通過聘請(qǐng)培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)來(lái)完成這一過程，然而，培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)的能力能否滿足教學(xué)教師的要求，培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)是否可以協(xié)調(diào)教師和學(xué)生教學(xué)之間的關(guān)系，以及是否可以達(dá)到教師預(yù)期的效果都是需要思考的問題。當(dāng)前智能鋼琴可以在沒有教師指導(dǎo)的情況下單獨(dú)完成。并運(yùn)用4K顯示屏與他人之間溝通，將樂譜和表演演示出來(lái)，按照相應(yīng)的動(dòng)畫圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)實(shí)踐游戲多樣化共享和操作的目的，使學(xué)生能夠在鋼琴學(xué)習(xí)的過程中變成彈奏鋼琴。在簡(jiǎn)單初期，智能鋼琴能夠很好地指導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高教學(xué)效果。其中，鋼琴節(jié)奏練習(xí)中，智能鋼琴可以給學(xué)生帶來(lái)不一樣的體驗(yàn)，有一點(diǎn)像游戲節(jié)奏大師的特點(diǎn)。學(xué)生在通關(guān)模式中也可以更好地學(xué)習(xí)到節(jié)奏，從難度簡(jiǎn)單到復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效率。人工智能教師會(huì)在4K屏幕上糾正教學(xué)，讓學(xué)習(xí)者真正在玩的同時(shí)學(xué)習(xí)。

（二）鋼琴教師與AI鋼琴的完美合作

關(guān)于鋼琴教師和AI鋼琴的完美合作，筆者認(rèn)為，兩者應(yīng)相輔相成，并根據(jù)兩個(gè)主題不同的優(yōu)勢(shì)和作用，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。教師在發(fā)展學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)能力時(shí)，可以在學(xué)生達(dá)到中級(jí)和高級(jí)水平以后，運(yùn)用一對(duì)一的方法，對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)。同時(shí)，培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生了解音樂作品的情感表達(dá)，更好演奏音樂作品。在此過程，教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度不同針對(duì)性指導(dǎo)，轉(zhuǎn)變以往集體和諧式的教育方式，還會(huì)要求學(xué)生有效理解不同作品，而不是簡(jiǎn)單地對(duì)作品進(jìn)行復(fù)制。這是人工智能鋼琴無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。正如前文人們所說的那樣，人工智能是無(wú)法完全替代人類的靈魂和情感的。在針對(duì)初學(xué)者和剛剛學(xué)習(xí)鋼琴的學(xué)生來(lái)說小組課的形式具有很大意義和影響作用。同時(shí)，音樂作品想要表達(dá)的方式也會(huì)更加簡(jiǎn)單，表達(dá)的意義也容易被學(xué)生所理解。通常運(yùn)用兒歌的形式出現(xiàn)，在相同節(jié)奏、旋律、指法的帶動(dòng)下，不需要教師一對(duì)一地進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)。并且人工智能智能鋼琴教室的出現(xiàn)，也具有很大的實(shí)用性，教師可以采用1至10人的大班授課方式，讓學(xué)生有效地進(jìn)行鋼琴學(xué)習(xí)，教師還會(huì)對(duì)每個(gè)學(xué)生的手形、坐姿、彈奏進(jìn)行檢查，全面節(jié)約時(shí)間，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣激發(fā)出來(lái)，促進(jìn)其學(xué)生學(xué)習(xí)鋼琴門檻的降低

（三）人工智能鋼琴的應(yīng)用

要想讓教學(xué)取得合理的教育效果，教師需要發(fā)揮人工智能鋼琴的優(yōu)勢(shì)，為其搜索和挖掘相關(guān)信息與數(shù)據(jù)，整合和計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)工作等。人工智能鋼琴具有多媒體功能，將鋼琴演奏視頻、圖片融入課堂教學(xué)中，進(jìn)而構(gòu)成合理的教學(xué)形式，提升教學(xué)效果。比如教師可以在帕格尼尼練習(xí)曲的教學(xué)中，演奏電影《帕格尼尼練習(xí)曲》中的小提琴協(xié)奏曲。了解作者創(chuàng)作背景是帕格尼尼的小提琴協(xié)奏曲，會(huì)使學(xué)生對(duì)李斯特的作品有了更好、更深刻的理解。李斯特將他的作品進(jìn)行改編，讓小提琴作品變成鋼琴作品，進(jìn)而增強(qiáng)小提琴技巧在鋼琴方面的使用效果。在運(yùn)用多媒體向?qū)W生展示教學(xué)內(nèi)容的過程中，也能更好地保持學(xué)生課堂學(xué)習(xí)注意力。人工智能鋼琴的另一大功能是不會(huì)疲勞、抱怨，能夠煥發(fā)無(wú)限的規(guī)模潛力，并且逐漸超越人的范疇，可以當(dāng)作陪練的一種方式。

三、對(duì)鋼琴練習(xí)者的建議

（一）轉(zhuǎn)變教學(xué)的觀念

新時(shí)期背景下，為了更好地融入大數(shù)據(jù)革命時(shí)代的發(fā)展氛圍中，其教學(xué)應(yīng)該注重人工智能的應(yīng)用，在人工智能的使用中，要合理的發(fā)揮人工智能優(yōu)勢(shì)，并且讓其成為鋼琴學(xué)習(xí)和教學(xué)的一種方式。當(dāng)前人工智能鋼琴可以運(yùn)用程序數(shù)據(jù)分析來(lái)完成，還能讓鋼琴練習(xí)者在練習(xí)的過程中，有效感受到鋼琴練習(xí)的快樂。目前教師應(yīng)該將教學(xué)保衛(wèi)時(shí)間發(fā)揮在前沿思想和知識(shí)創(chuàng)新方面，全面強(qiáng)化自身的身體素質(zhì)和能力，運(yùn)用具有創(chuàng)造性的教學(xué)方式和辦法，合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)然還要運(yùn)用人工智能技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的情感理解，使其學(xué)生更好地參與到人工智能的學(xué)習(xí)環(huán)境下，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，并給學(xué)生的鋼琴學(xué)習(xí)帶來(lái)良好的體驗(yàn)。在教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變中，還要盡可能地讓人工智能與人的情感之間融合，通過人工智能將人想要表達(dá)的情感，通過鋼琴毽子傳遞出去，增強(qiáng)其文化傳播和音樂傳遞效果。

（二）鋼琴練習(xí)者是智能鋼琴控制器

人工智能鋼琴發(fā)揮作用關(guān)鍵在于教師是否可以合理的應(yīng)用，在運(yùn)用人工智能鋼琴中，教師可以和家長(zhǎng)一起參與教學(xué)和實(shí)踐當(dāng)中，在學(xué)生使用智能鋼琴的過程中，需要發(fā)揮教師和家長(zhǎng)的監(jiān)督作用。由于學(xué)生的天性是玩，所以在學(xué)習(xí)的過程中很難控制自己。通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的監(jiān)督，能夠使學(xué)生形成良好學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而將家長(zhǎng)和教師共同參與的教育作用發(fā)揮出來(lái)。譬如在彈奏節(jié)奏中，學(xué)生可以通過節(jié)奏軟件愉快地學(xué)習(xí)，但最終的目的是加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和自主操作能力的培養(yǎng)。教師可以在學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中發(fā)揮控制著和引導(dǎo)者的作用，讓學(xué)生在良好的學(xué)習(xí)環(huán)境下，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。

四、彎曲度傳感器的智能鋼琴手套設(shè)計(jì)

（一）整體結(jié)構(gòu)

智能鋼琴手套，包括：手套組件和音箱組件。練習(xí)者戴上手套后，只需根據(jù)手指彎曲的狀態(tài)，就可發(fā)出相應(yīng)的聲音，從而達(dá)到練習(xí)鋼琴指法和曲目的目的。其中手套組件包括手套、指關(guān)節(jié)處的彎曲度傳感器、信號(hào)發(fā)射模塊、第一控制單元等。其中手套根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：成年人手部號(hào)型（GB/T16252-1996）確定。音箱組件包括：殼體、信號(hào)接收模塊、揚(yáng)聲器模塊、第二控制單元。其中，第一控制單元和彎曲度傳感器以及信號(hào)發(fā)射模塊電連接;第二控制單元和揚(yáng)聲器模塊以及信號(hào)接收模塊電連接。

（二）關(guān)鍵設(shè)計(jì)

1.功能設(shè)計(jì)

在做基于彎曲度傳感器手套控制的藍(lán)牙音箱時(shí)，主要設(shè)計(jì)了三種功能：（1）音箱能夠播放不同音調(diào)；（2）可以通過手勢(shì)來(lái)控制音箱的音調(diào)；（3）手套和音箱之間的連接屬于無(wú)線連接。

2.外觀設(shè)計(jì)

基于彎曲度傳感器手套控制的藍(lán)牙音箱的外觀分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，（1）上位機(jī)把傳感器和我們生活中常使用的手套相結(jié)合；（2）下位機(jī)音箱使用3D打印方形且?guī)в幸欢ㄇ娴耐鈿ぃ@樣更能夠把聲音放大。

3.交互方式

基于彎曲度傳感器手套控制的藍(lán)牙音箱的方式包括：（1）彎曲度傳感器測(cè)量手指的彎曲程度；（2）揚(yáng)聲器發(fā)出音調(diào)。

4.供電方式

基于彎曲度傳感器手套控制的藍(lán)牙音箱設(shè)計(jì)的使用場(chǎng)景為舞臺(tái)表演，供電方式選擇是電池直接供電。

（三）實(shí)體設(shè)計(jì)

1.元器件

智能鋼琴音箱元器件包括Arduino Nano控制器、Arduino Nano擴(kuò)展板、彎曲度傳感器、10K電阻、藍(lán)牙模塊、揚(yáng)聲器和音箱外殼等，如圖1。其中音箱外殼由3D打印技術(shù)打印。

圖1 智能鋼琴手套關(guān)鍵零部件

（1）Arduino Nano控制器

上位機(jī)和下位機(jī)都采用Arduino Nano為控制核心，能夠支持彎曲度傳感器、藍(lán)牙通訊、揚(yáng)聲器等。Arduino Nano控制器硬件電路具體如圖2。

圖2 Arduino Nano硬件電路圖

（2）彎曲度傳感器

flex2.2彎曲傳感器，當(dāng)傳感器的金屬面向外彎曲時(shí)，該傳感器的電阻值會(huì)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)到彎曲度。非彎曲狀態(tài)電阻：～9000;90度彎曲電阻：～14000;180度彎曲電阻：～22000。實(shí)驗(yàn)室，彎曲傳感器連接了一個(gè)10K電阻，與Arduino Nano相連接。彎曲度傳感器為模擬傳感器，讀取傳感器值對(duì)應(yīng)的函數(shù)是analogRead（ ），對(duì)應(yīng)的取值范圍是0-1023。本作品共使用5個(gè)彎曲傳感器，傳感器與Arduino Nano連線如圖2。彎曲度傳感器的金屬面彎曲時(shí)，彎曲度傳感器的電阻值會(huì)發(fā)生變化，從而檢測(cè)對(duì)應(yīng)手指關(guān)節(jié)處是否彎曲。在使用中，第一控制單元根據(jù)彎曲度傳感器測(cè)量的手指關(guān)節(jié)處是否彎曲生成相應(yīng)的字符信號(hào)，并且將該字符信號(hào)傳輸至信號(hào)發(fā)射模塊，設(shè)置于殼體內(nèi)的信號(hào)接收模塊接收該字符信號(hào)并且將該字符信號(hào)傳輸至第二控制單元，第二控制單元根據(jù)接收到的字符信號(hào)控制揚(yáng)聲器模塊發(fā)出相應(yīng)的聲音（例如，仿鋼琴聲）。

（3）HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊

它的最大特點(diǎn)是將藍(lán)牙當(dāng)作串口用。藍(lán)牙HC-05，空曠地帶傳輸距離10米左右，默認(rèn)波特率為9600、默認(rèn)配對(duì)密碼為1234。該作品使用2個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊，一塊作為發(fā)射模塊，一塊作為接收模塊使用。設(shè)置波特率函數(shù)為Serial.begin（9600），發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的函數(shù)為Serial.println（ ），讀取信號(hào)值對(duì)應(yīng)的函數(shù)為Serial.Read（ ）。上位機(jī)和下位機(jī)HC-05藍(lán)牙模塊接線一樣。揚(yáng)聲器模塊，相當(dāng)于一個(gè)無(wú)源蜂鳴器。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部有震蕩、驅(qū)動(dòng)電路，加電源就可以響。優(yōu)點(diǎn)是用起來(lái)省事，缺點(diǎn)是頻率固定了，只有一個(gè)單音。無(wú)源蜂鳴器聲音頻率可控，可以做出“多來(lái)米發(fā)索拉西”的效果。常用的函數(shù)包括tone（ ），和noTone（ ）。在編曲過程中，我們選用了“多來(lái)米發(fā)索拉西多（高音）”，合計(jì)8個(gè)音調(diào)。

2.程序設(shè)計(jì)

采用ArduinoIDE進(jìn)行程序編寫，程序主要實(shí)現(xiàn)功能為，當(dāng)作某一特定手勢(shì)的時(shí)候，音箱會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)音調(diào)的聲音。首先，要對(duì)手勢(shì)進(jìn)行編碼。上位機(jī)程序要實(shí)現(xiàn)功能為，當(dāng)作某特定手勢(shì)的時(shí)候，發(fā)出不同的字符信號(hào)。下位機(jī)要實(shí)現(xiàn)功能為，當(dāng)接收到字符信號(hào)時(shí)，音箱會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)音調(diào)的聲音。

（四）測(cè)試

當(dāng)彎曲傳感器接好線之后，分別測(cè)出各個(gè)手指頭彎曲和不彎曲時(shí)傳感器值。基于彎曲度傳感器手套控制的藍(lán)牙音箱，通過短暫的訓(xùn)練，即可以完成各個(gè)音調(diào)的控制。使用熟練可以依靠手勢(shì)變化彈出一首簡(jiǎn)單的曲子。讓每個(gè)感興趣的人很快就能上手，并且知識(shí)含量也比較豐富。為了讓傳感器能夠直觀測(cè)出彎曲和不彎曲的狀態(tài)，根據(jù)測(cè)量值，定義了各個(gè)彎曲傳感器彎曲和非彎曲的取值范圍。

五、結(jié)語(yǔ)

人工智能，背景下，為了提升學(xué)生的練琴效率，教師應(yīng)該合理選擇人工智能的教育方式。同時(shí)，運(yùn)用智能鋼琴和智能教室，可以更好地幫助學(xué)生取得學(xué)習(xí)成效。因?yàn)槊考露加袃擅嫘?。在學(xué)校，智能鋼琴的研究者和教育者在教學(xué)方法創(chuàng)新等教學(xué)問題上更注重教學(xué)模式的改進(jìn)，在分析新教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，也要結(jié)合科技發(fā)展趨勢(shì)，有效地提升教師的教學(xué)能力，并合理挖掘人工智能對(duì)學(xué)生鋼琴練習(xí)效率提升的作用，使其成為學(xué)生掌握現(xiàn)代音樂學(xué)習(xí)知識(shí)的一種新方法，幫助學(xué)生保持高度學(xué)習(xí)的注意力和精神。