民族樂器智能輔助教學服務系統(tǒng)設計研究

摘要：本文以民族樂器輔助教學系統(tǒng)為探討對象，提出基于產(chǎn)品服務系統(tǒng)方法，構(gòu)建集成教學資源、自主練習反饋與社會互動的智能輔助教學系統(tǒng)。文章首先比較說明智能技術(shù)條件下民族樂器數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不足，認為精準化教學服務仍有發(fā)展空間。從智能服務流程、人機協(xié)同模式、智能支持系統(tǒng)、利益相關(guān)者以及服務藍圖等五個方面提出智能輔助教學系統(tǒng)的構(gòu)建方法。研究基于PSS將民族樂器與教學服務融合組成整體解決方案，構(gòu)建民族樂器智能教學服務產(chǎn)品子系統(tǒng)和服務信息子系統(tǒng)，創(chuàng)建教學服務與價值共創(chuàng)模式?；谠摲椒ㄒ悦褡鍢菲髋脼槔?，構(gòu)建琵琶智能輔助教學服務系統(tǒng)并進行驗證。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品服務系統(tǒng)" 樂器設計" 智能樂器" 人機協(xié)同" 數(shù)字化轉(zhuǎn)型

一、引言

民族樂器是我國中華民族的文化瑰寶，民族樂器教育既是深入了解民族歷史文化風采的關(guān)鍵路徑，也是我國美育文化傳承創(chuàng)新、文化自信的堅實基礎(chǔ)[1]。而在我國音樂教育市場中，古箏、琵琶、二胡等為代表的民族樂器培訓規(guī)模仍然較小，影響力不足，原因在于教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型相對滯后，缺少與數(shù)字化平臺、智能技術(shù)的對接?！秶鴦赵宏P(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》發(fā)布，關(guān)注智能教育場景，強調(diào)推動人工智能的全流程應用[2]，民族樂器教學智能化發(fā)展勢在必行。產(chǎn)品服務系統(tǒng)（PSS）是通過將產(chǎn)品與服務有機結(jié)合，通過數(shù)據(jù)連接產(chǎn)生個性化服務，為用戶創(chuàng)造價值的商業(yè)模式和設計理念，為產(chǎn)業(yè)提供新的發(fā)展空間。本文基于PSS構(gòu)建民族樂器智能輔助教學系統(tǒng)，通過比較說明民族樂器智能化設計不足，提出智能教學服務流程與人機協(xié)同分工，加強學習效率。通過定義智能系統(tǒng)構(gòu)建服務藍圖，協(xié)調(diào)多方利益資源改善學習體驗。研究在琵琶教學中測試原型系統(tǒng)，輔助高效自主練習。

二、民族智能樂器設計概況

民族樂器設計是將音樂文化、音樂表現(xiàn)、樂器外觀、制作工藝等諸多方面融合，創(chuàng)造符合民族氣質(zhì)特征的獨特裝置的過程，它不僅受到樂器演奏、音樂史學、音樂教育理論的影響，還與聲學、力學、材料學等理論相關(guān)，通過結(jié)合人機工程學、形式美學、材料工藝制造等理論實現(xiàn)產(chǎn)品化[3]。在二胡、琵琶等民族樂器設計改造中，既要保持樂器的傳統(tǒng)音色和形制特點，又要在音準、音域、音量等性能方面有所提升。作為復雜系統(tǒng)演進，民族樂器設計要想適應當代音樂市場需求，需要結(jié)合音樂分析算法等智能技術(shù)成為發(fā)展必然。

智能樂器是將人工智能等技術(shù)與傳統(tǒng)樂器的經(jīng)典聲學、演奏技巧相結(jié)合，通過樂器本體、傳感器、智能算法、網(wǎng)絡鏈接構(gòu)成的產(chǎn)品服務系統(tǒng)綜合解決方案[4]。智能樂器系統(tǒng)集成音頻分析、自動化演奏、樂器學習等功能，提高樂器的可學性、可用性和表演性，在音色傳達、演奏者創(chuàng)造、學習者練習、交互自由等方面都有所創(chuàng)新，比如以populele為代表的智能弦樂器，以Yamaha為代表的智能鍵盤樂器，以雅思樂為代表的智能吹奏樂器等，它們都是結(jié)合原有樂器演奏方式，利用數(shù)字合成技術(shù)，形成新音樂渲染風格，利用人機環(huán)境的互動向虛擬化發(fā)展，提供定制化演奏模式和多種藝術(shù)形式結(jié)合的表演，通過攝像頭、傳感器等向用戶提供及時反饋，并利用APP擴展樂器生命周期及商業(yè)閉環(huán)。但以我國民族樂器為原型的智能系統(tǒng)占比不高，以教學為核心功能的系統(tǒng)構(gòu)建仍不完善，多模態(tài)數(shù)據(jù)支持下的智能輔助發(fā)展空間仍存在大量機會。搭建精準化教學服務場景，完善人機協(xié)同教學，推動樂器新教學模式成為重要方向。

三、民族樂器智能系統(tǒng)構(gòu)建

（一）產(chǎn)品服務系統(tǒng)方法（PSS）

產(chǎn)品服務系統(tǒng)方法是將產(chǎn)品與服務融合組成整體解決方案，更深層次實現(xiàn)用戶價值的設計理念。隨著智能產(chǎn)品服務系統(tǒng)演進，不僅通過數(shù)據(jù)提供更為精細化、智能化服務，而且進一步加強有形產(chǎn)品和無形服務功能耦合程度，形成數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造多元經(jīng)濟和體驗價值。基于PSS的民族樂器輔助教學系統(tǒng)是一種集教學資源、自主練習與社會互動的軟硬件結(jié)合樂器學習平臺，突破了傳統(tǒng)樂器系統(tǒng)功能單一局限，更廣泛地導入各類優(yōu)質(zhì)教育資源，重塑了師生互動體驗。該系統(tǒng)可發(fā)揮構(gòu)建樂器教學服務與價值共創(chuàng)模式，提高樂器教學效率、形成利益相關(guān)方多級資源聯(lián)動等三方面的作用。搭建民族樂器輔助教學系統(tǒng)從以下服務流程、人機協(xié)同模式、智能系統(tǒng)、利益相關(guān)者以及服務藍圖等五個方面逐一討論。

（二）智能服務流程的構(gòu)建

根據(jù)樂器教學目標與教學認知過程特征，以單個樂曲教學為基本教學單元，以彈奏動作技巧訓練為重點，構(gòu)建智能教學服務流程。該服務流程設計主要包含四個階段：

1.階段①：樂理知識學習，學生接觸樂器。在熟悉樂譜、節(jié)奏、音高等概念基礎(chǔ)的同時，學生體會音樂的旋律、音色，了解樂曲背后的歷史脈絡，為彈奏動作技巧訓練奠定基礎(chǔ)。老師傳授知識要點，學生掌握基礎(chǔ)概念用于后期應用協(xié)調(diào)動作。

2．階段②：教師彈奏示范，學生感受要領(lǐng)。教師彈奏樂器進行示范，要求學生觀察教師動作順序及要領(lǐng)。在學生自身操作的過程中，教師通過精煉詞語提示學生，幫助學生注意樂器在節(jié)奏、動作、姿勢方面的要點。

3．階段③：彈奏動作技巧自主訓練，學生關(guān)聯(lián)應用。學生結(jié)合樂理知識、老師彈奏示范、自身體會等多方面信息自主進行訓練。彈奏動作技巧訓練過程中，學生需要保持對節(jié)奏的敏感度，需要增強手臂、手腕、肩、腰姿勢的把控，有效協(xié)調(diào)和控制指法類型、形態(tài)、左右手配合。

4．階段④：樂器學習社區(qū)互動，學生交流分享。在樂器學習、表演過程中，學生利用上傳自身視頻、各種學習資源，互相學習、借鑒交流分享，形成相互促進的學習氛圍。

（三）人機協(xié)同教學模式

在搭建服務流程的基礎(chǔ)上細化人機分工，教師、學生和AI系統(tǒng)建立的人機協(xié)作關(guān)系是混合增強智能的一種發(fā)展形式，是實現(xiàn)以學生為中心的個性化、精準化、規(guī)模化教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]，為制定智能技術(shù)條件下的教學模式奠定基礎(chǔ)。

教師主導教學過程，注重培養(yǎng)學生的人文情懷與學習興趣，在此過程中，教師強調(diào)音樂素養(yǎng)、美學理念的培養(yǎng)，完成社會和心理屬性的多層面示范教學，在處理與學生情感、態(tài)度以及價值觀的同時，加強與學生的聯(lián)系。學生自主練習掌握彈奏技能的同時，通過元認知和自我評估，增強自主設計、監(jiān)控、調(diào)節(jié)與反思的學習能力。學生在與老師和同伴的交流過程中，獲得人文關(guān)懷與社交，音樂綜合素質(zhì)的提升。自主學習在AI的引導與協(xié)作下，學生個性化學習體驗得到改善。

AI發(fā)揮機器處理信息的精細度、數(shù)量與效率的優(yōu)勢，將診斷、反饋、干預、反思貫穿教學過程[5]，同時支持教師端與學生端的教學活動。AI在教師端充當助教，支持大數(shù)據(jù)環(huán)境下的整體化教學設計、學情感知、能力評測，優(yōu)化教學效果。AI通過語義檢索、大數(shù)據(jù)挖掘等智能技術(shù)，形成民族樂器知識服務能力，增強學生對音樂知識的學習興趣。AI在學生端充當學伴，實現(xiàn)消息推薦、資源推薦與學習路徑規(guī)劃，反饋學習情況，提高學習效率。AI通過手勢識別、情緒識別等人工智能技術(shù)形成策略引導，追溯樂譜識別、節(jié)奏、指法等問題根源，并針對性提示的同時，反饋學生自主學習中的不足，個性化調(diào)整練習重點。

（四）智能支持系統(tǒng)的構(gòu)建

在確定流程和人機模式的基礎(chǔ)上，基于PSS形成民族樂器輔助教學的系統(tǒng)構(gòu)架，完成相應的功能服務業(yè)務。民族樂器輔助教學系統(tǒng)包括產(chǎn)品、服務信息子系統(tǒng)兩部分。產(chǎn)品子系統(tǒng)完成基本的彈奏、界面交互與多模態(tài)數(shù)據(jù)采集等功能，包括樂器本體、交互設備和數(shù)據(jù)采集傳感器三個方面。樂器本體增加指示與數(shù)據(jù)交換設備，形成彈奏基礎(chǔ)；交互設備生動展示教學內(nèi)容；數(shù)據(jù)采集傳感器則通過視頻、音頻、肌電等感應器采集學生多模態(tài)數(shù)據(jù)，為軟件服務奠定基礎(chǔ)。服務信息子系統(tǒng)按照智能服務流程，建立學生、教師、綜合管理等多個端口進行支持，全過程數(shù)據(jù)存儲與智能分析的特征。以學生為主要服務對象，重點說明服務信息子系統(tǒng)中彈奏動作技巧自主訓練模塊，主要包括三個部分：

1.自主訓練調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)器樂教學目標設定教學策略、內(nèi)容，安排學習進程。根據(jù)個體訓練反饋情況，進行個性化修訂階段性目標，使之與個人能力匹配的基礎(chǔ)上，逐步突破學習舒適區(qū)。

2．自主訓練提示系統(tǒng)。在學生自主練習過程中，顯示器、穿戴設備多通道提示減輕學生的認知負荷。按照曲譜教學程序，設定成語言、節(jié)奏、關(guān)鍵點多重直觀提示，為遠程合奏、配樂等協(xié)作技能訓練提供便利。

3．自主訓練反饋系統(tǒng)。彈奏訓練通過信息采集系統(tǒng)收集樂曲彈奏過程中個體特征并指出不足，并推斷產(chǎn)生彈奏問題的原因，減少無效訓練。訓練反饋包括比較彈奏分項中存在的錯誤與整體彈奏分析的差異。

（五）利益相關(guān)者分析

由于產(chǎn)品服務系統(tǒng)復雜性的提升，民族樂器教輔系統(tǒng)無法由單獨某一方完成。因此通過識別和分析系統(tǒng)中重要利益方，對優(yōu)化資源配置、建立合作關(guān)系、降低系統(tǒng)風險將發(fā)揮重要作用。系統(tǒng)利益相關(guān)者包括核心用戶、產(chǎn)品服務供應商、生態(tài)鏈企業(yè)以及社會環(huán)境四大層級。在服務流程中，數(shù)據(jù)流協(xié)同多方利益相關(guān)者，系統(tǒng)集成顯著的價值溢出效應[6]，促使樂器教育產(chǎn)業(yè)生態(tài)正向迭代。

（六）智能教學服務藍圖

服務藍圖通過用戶行為層、前臺層和后臺層展現(xiàn)系統(tǒng)服務全貌[7]。根據(jù)樂器教學具體場景擴展為學生行為層、教師行為層和后臺智能支持層，展現(xiàn)學生活動和師生活動之間，線上線下混合教學環(huán)節(jié)的銜接與融合，及其與智能支持系統(tǒng)的支撐互動關(guān)系，整體直觀全面展現(xiàn)教學服務流程，如圖1。

四、琵琶智能輔助教學系統(tǒng)

（一）琵琶智能輔助產(chǎn)品子系統(tǒng)

琵琶彈奏指法直接影響演奏音色、音域與情感抒發(fā)，而現(xiàn)今琵琶教學仍采用師徒制，以一對一、手把手、音對音教學模式為主，彈奏指法需持久練習才能入門，導致琵琶啟蒙教學成本高，教學難度大[8]。研究采用用戶畫像構(gòu)建典型用戶模型，反映出來的核心問題集中為課后練習缺乏高效反饋和監(jiān)督，導致練習效率低和精進難度大。琵琶智能輔助教學系統(tǒng)圍繞用戶畫像的關(guān)鍵特征構(gòu)建，提升琵琶彈奏技巧自主練習效率與趣味，將老師線下教學延申到課后自主學習。

琵琶產(chǎn)品子系統(tǒng)在3.4節(jié)智能支持系統(tǒng)基礎(chǔ)上，如圖2，具體包含三方面：首先，智能琵琶保有原留樂器特征，增加指示器和麥克風，通過藍牙與智能電視交換數(shù)據(jù)；其次，以數(shù)據(jù)手套、前臂手環(huán)為代表的穿戴式設備，用于更為精準的手指捕獲和前臂運動特征，是智能識別指法對錯的前提；最后，帶有攝像頭的智能電視，不僅關(guān)聯(lián)智能終端與云端，而且提供沉浸式學習環(huán)境。

（二）琵琶智能輔助信息服務子系統(tǒng)

琵琶信息服務子系統(tǒng)主要是由樂理學習、彈奏示范、自主訓練、學習社區(qū)等四個基本功能模塊組成。該系統(tǒng)面向兒童或成年初學者，其電視交互界面設計采用磁片式布局，突顯使用功能；界面風格為柔美典雅的中國古風，營造高雅民族意境，如圖2。該系統(tǒng)立足學習者視角，通過用戶目標、用戶行為、系統(tǒng)服務觸點、情感狀態(tài)及其系統(tǒng)支持，構(gòu)建琵琶彈奏動作技巧自主練習模塊的用戶旅程圖[9]，展示以學習者為中心的琵琶自主訓練安排、提示和反饋的教學模式變化。比如在琵琶自主訓練安排階段，用戶在訓練調(diào)節(jié)頁中復習課堂知識，老師根據(jù)學生情況制定學習計劃，系統(tǒng)支持基于練習數(shù)據(jù)分解作業(yè)要求，提供教學資料用于鞏固，智能軟硬件供應商和教學資源平臺參與數(shù)據(jù)流協(xié)同。

五、結(jié)論

我國民族樂器的教育推廣與普及，是傳承弘揚優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、文化強國的重要環(huán)節(jié)之一[10]。智能產(chǎn)品服務設計方法為民族樂器教學的智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新的發(fā)展空間，民族樂器設計需要突破演奏裝置局限，向基于智能技術(shù)的教學服務產(chǎn)業(yè)生態(tài)演化與發(fā)展。本文以琵琶樂器為例，建立了智能樂器產(chǎn)品服務系統(tǒng)及方案，通過獲取多模態(tài)數(shù)據(jù)為民族彈撥樂器智能教學提供了新思路。隨著智能化技術(shù)向教學場景的深入，民族樂器的教學質(zhì)量與服務體驗將逐步提升和發(fā)展。

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