音乐技能计算机辅助系统与数字化教学模式
摘要：本文涉及一种音乐技能辅助训练系统和与之相适应的创新音乐技能训练数字化教学模式。系统通过对学习者的音频、视频及生理等的信息做出详细分析，把练习实况全面保存在数据库中，检测其技能水平的变化，为教学和训练提供直观的视觉信息和系统的、全方位的科学参数，把抽象的技能理论和方法变成直观的、易理解的图像或数据，进而提高音乐技能训练的科学性，提高音乐技能学习的效率。
关键词：音乐艺术;音乐技能;高等教育;教学;计算机辅助系统;数字化
一、引言
音乐技能训练教学是音乐教育的重要内容。长久以来，计算机辅助教学在很多学科门类中得到了广泛运用。然而，国内外对音乐技能教学训练的数字化研究成果很少。作者试图在研究过程中建立一套全方位的能够在音乐技能训练过程中使用的一种计算机辅助教学的数字化系统，扩展传统音乐训练的方式与方法，用数字化的手段提高音乐技能训练的效率。
类似本课题的研究，比较有名的研究是“声乐训练中口腔镜影像的分析”，20世纪中期以来，共振峰的研究、声音的频谱分析等，这些研究均与本文的研究角度不同。本文涉及一个音乐技能辅助训练系统(Computer Assistant System of Mu-sicianship简称CASM)，系统分为两个子系统，即声音(sound)与生理(Physiology)子系统。系统设计的目标是通过外部设备与计算机连接，把音乐技能训练者的各种生理与音乐表达状态全面采集到数据库中，对学习者的音频、视频及生理等方面的信息做出详细分析，通过系统软件平台显示各种数据，提供直观的视觉信息和系统的、全方位的科学参数，把抽象的技能理论和方法变成直观的、易理解的图像或数据，把练习实况保存在学生的学习质量情况数据库中，检测其技能水平的变化，进而提高音乐技能训练的科学性。
以声乐技能为例，它的教学与训练是一个包括诸多因素在内的复杂体系，声音的内容有：高低、强弱、长短、音色、吐字等，生理内容有：表演形态、呼吸、表情、姿势、动作、方位等。因此，CASM系统是建立基于音乐知识与技能、生理知识、运动生物力学知识、录音分析技术、视频分析技术和现代信息技术等基础上的。通过音乐训练各种要素的数字化信息在教学中的运用，便形成了音乐技能训练的数字化教学新模式。
CASM系统的研究与开发，是音乐技能教育领域里的一个全新课题，该课题是一项跨学科、跨领域的复杂的系统工程，本文因研究篇幅等因素仅涉及其中的部分内容，从声乐训练人手，仅对CASM系统的设计、音频支持模块、生物信号记录模块等几个方面做出阐述。动作技巧训练部分、平台内核设计、数据库设计、系统语言、数据处理、个案研究实例等内容在其他文章中论述。
二、基于CASM系统的训练与教学模式创新构思
1、CASM系统的工作流程与创新教学模式
CASM系统在音乐技能训练中的运用，是对传统音乐教学方法的创新与延伸。在计算机辅助音乐技能教学中，必须把计算机辅助技术和音乐技能训练有机地结合起来，才能实现教学模式的创新。在课堂教学中，传统的教学一般对技能的要领描述是模糊的和不确定的，如气息要撑住、放松等，没有一个直观的标准或者形象的描述。CASM系统的设计依靠计算机强大的计算能力，在一些基本物理定律的基础上，通过计算来模拟和还原现实中的复杂细节。以此为依托，将现实中难以表达的细节通过计算机得到分析结果，从而极大地缩短练习时间、快速突破技巧瓶颈。使学生逐步摆脱所谓“音乐学习只可意会、不可言传”观念的束缚。使音高、节奏、强弱、呼吸、表情、共鸣等诸多因数有一个可以参照的数据，把晦涩的概念变成直观的数据或图表，这样教师在教学过程中增加了很多参考数据，讲解变得容易并且准确了，教学方法实现了转变。
以计算机为中心的CASM系统为我们提供了庞大的数据存储能力，它能够将一个音乐专业学生的所有练习、比赛、演出的全部过程完整地记录下来。音乐技能训练带有个性化的特点，每位教师采用的训练手段各不相同，对来自学生的反馈的关注度也不一样，因而训练数据就具有很大辅助作用。
在这个辅助训练系统的平台上，我们将传统音乐训练指标分析的方法和教学内容设计到软件里，从而能帮助学生和教师在日常训练与管理中掌握和扩充专业知识，达到教学相长的效果。
利用同一个平台上的存储数据，我们还可以进一步对这些数据进行分析，从中寻找出学生的不同特性，进而辅助制定每个学生的练习计划，总结技能训练规律，将经验加以验证，使训练达到科学化、系统化。
构建一个完整的辅助训练分析系统，把计算机及周边设备应用到音乐专业学生的日常技能技巧训练中，这样，传统的学习流程就产生了变化。我们在传统训练流程的基础上提出了CASM的训练流程与教学模式。
上述表明CASM的训练流程由两个闭环组成，内环保持了传统训练模式的回路，外环是一个自我纠正的回路，两个环嵌套在一起。内环比传统流程仅在反馈回路上增加了“数据库”和“计算机辅助分析”两个模块。“数据库”将学生以往所有训练的内容和效果等数据都记录下来供分析所用;“计算机辅助分析”模块则在“数据库”的支持下，运用数据指标分析等方法，代替教师分析学生的身体状态等内容。外环是新增加的一个回路，其中“常规训练方法”是一个模糊概念，它包括训练计划、训练手段、技术动作和训练学方法等音乐表演技能的关联要素。系统在取得各种数据以后，与对照组进行对比，显示出技能水平的变化与差距。训练者通过与CASM系统的互动，从而达到改变训练要素，达到自我纠正的目的。
2、CASM系统中的教学过程互动关系
传统的音乐技能教学在课堂上，教师与学生的关系是单向的，教师经验式的指出问题的不足，课后训练由学生通过记忆和有限的理解自己完成，没有互动。交互性是课后音乐技能训练的一个难题，CASM系统的交互式性设计变得尤为重要，良好的交互性将改变音乐技能训练课堂教学的模式和课后练习的模式。
音乐技能训练是一个实践性与操作性强的领域，课堂教学可以通过教师与学生的互动来完成，课后训练只能通过学生的自主练习来完成，课后训练由于缺少了互动性使效果变得不理想，CASM系统的交互性，把课堂延伸到课后，实现学习方法的转变。在课堂教学中，CASM系统可以作为辅助教学的工具，使课堂教学互动性更强，在课后训练中，改变传统的单线模式，增加互动环节，使课后练习与课堂教学紧密相连。配备了音乐技能计算机辅助训练系统，就相当于学生在训练过程中随时会出现一位经验丰富的“教师”在陪伴练习，有助于调动学生自主学习的积极性，提高学习效率。
三、CASM系统的设计
1、音乐技能辅助训练系统的结构
音乐技能计算机辅助训练系统由数据采集、存储、分析、显示和建议决策等几部分组成。
系统输入的数据包括预设的训练内容、周边设备记录的数据以及对比数据等，输入采用多通道方式，系统输出主要以图像和声音为主。
另外，从结构上还可以将系统划分为三部分：第一部分是以数据库为核心的训练管理系统部分，包括数据的录入和显示、训练进度管理，主要负责日常技能训练信息管理;第二部分是以练习数据指标分析为核心的辅助系统部分，帮助教师监测学生状态、提出建议训练内容;第三部分是以回放示范为核心的系统部分，帮助教师和学生改进训练方案。训练管理系统是整个系统的核心，主要对应数据库;辅助分析子系统对应内环回路;回放建议子系统对应自我纠正外环。
2、CASM系统的功能与外部设备框架
系统的设计需要对音乐基本技能基本要素做出分析，以声乐训练教学为例，从歌唱的生理机制方面来研究。声乐是一种歌唱技能，声乐训练是围绕这一技能而展开的系统训练。正确的发声是由呼吸、发音、共鸣以及语言诸因素共同协调配合而成的，但它们也是互相牵制的，没有任何一个因素能在发声中单独存在。我们的训练过程无论是从呼吸人手也好，还是从共鸣位置人手也罢，最终都应是使整个歌唱机体处于最佳歌唱状态的积累。因此，CASM系统在运用到声乐训练方面时兼顾到声音和生理两个方面的诸多要素，这些要素需要不同的外部设备与计算机连接来采集。
声音模块主要由录音设备及其相应录音软件、音频分析软件、综合平台构成。系统能够即时处理学生演唱、演奏所产生的信号，由录音设备、录音软件采集声音，由频谱分析软件分析声音，提炼出音准与节奏、共鸣状态等音乐训练要素，再由录音设备实现回放功能，对声音的音准、节奏及演唱方法做出对比分析，最后指出问题的关键。
生理模块主要由喉镜、生命体征监测仪、电子纤维鼻咽喉镜及其相应图像处理软件分析软件与综合平台构成。它能够快速采集学生的演唱形态、呼吸过程、喉部生物特征等关于演唱方面的指标并对相关数据进行快速分析与对比。
系统给每名学生建立数据资料库，在结合传统教学经验的基础上，对每一阶段教学内容进行量化分析，大量数据的统计分析及其结果给教师与学生提供一个全方位的训练参考数据。
1、系统的主界面
系统中的大量外部设备与计算机连接，记录训练数据并在主界面中显示，主界面中的窗口有乐谱窗、参考波形窗、训练波形窗、呼吸曲线窗、肌电曲线窗及录音播放按钮等。这些窗口显示不同的数据，可供训练者参考。
在主界面中的音乐库中可以选择需要练习的曲目与教学进度，选定曲目后乐谱窗中显示相应的曲谱。在参考波形窗中显示预置的示范波形，训练波形窗显示训练者的波形。呼吸曲线窗显示训练者在训练过程中的呼吸状况，肌电曲线窗显示训练者肌肉紧张状况。各种播放按钮可以播放示范录音和训练者录音。主界面中还有节奏分析、音高分析、断句分析、共鸣分析等按钮。这些窗口可以实现音准的准确性判断、节奏与强弱的准确性、吐字发音的准确性、共鸣及歌唱声音中泛音的水平、呼吸的量与呼吸运动参数、喉头的情况、音乐表情表达、表演的体态动作的轨迹等功能。
2、CASM系统中声音功能模块
声音子系统具有对声音信号和音序器信号进行实时处理、将两种信号进行比对、信号差异进行实时反馈三项系统功能。例如：系统在接收到一个人声波形信号后，可以把该数据与标准样本进行比较，判断学习者的演唱是否正确。如果发现学习者的演唱有错误，则可以进一步确定错误发生的位置，判断出错误类型。系统还可以播放提前预置的正确信号数据，供学习者参考。系统能统计出关键性错误，给出错误产生的原因及改进方法，以达到通过测试途径而实现学习和训练的目的。同时，考虑到测试的特点和学习者的要求，系统具有实时性。
此模块涉及声音方面的训练内容，有节奏与长短、音高、断句、共鸣等方面。这里重点提出乐句图形比较和声音的共鸣频谱分析两个部分。
(1)乐句图形比较
乐句图形比较，是一个通过声音波形对参照者及训练者的波形进行对比的'窗口，窗口中实时显示两组波形。在播放过程中，学生能够看到波形，在波形上可以直接看出音量的大小、歌词的点、节奏的图形、乐句的完整性。通过对比组信息，学生自己可以找出问题，然后进行自我纠正(其对比结果如图4所示)。
(2)声音的共鸣频谱分析
歌唱的声音是一种复杂的复合音。歌唱时人声的基音频率一般在100赫兹到1500赫兹的范围之内。歌声中除包含基音频率外，还包含丰富的泛音和分音。传统的教学训练主要依靠经验，运用“功能听觉”判断发声的“胸腔、头腔、咽腔、口腔、高位置共鸣”等抽象概念。CASM系统中的虚仪音频频谱分析功能可对声音进行分析。在对声音进行频谱分析后，可以观察到音乐的基音(音高因素)和各种泛音、分音(音色、共鸣因素)在不同的频率段的声强。这种分析方法得到的是对某一时间区域内的声音频率分析的平均谱，即“频率谱”。实际上，它是一个歌唱的“频率声强分布图”，展示了歌唱发声的声音在不同频率的声强概况。我们在这里从音乐声学的角度给出一个比较具体的“声音形态”的参照系，使我们不单能听到声音，还能从声音转换的可视图形中看到声音的变化。这种分析方法的特点是比较具体、直观和精确。计算机提供的图形和数据不单能客观地反映音准、音强，还能够辅助听觉对歌唱发声的音色、共鸣等因素进行更深层次的分析。
如图5所示。选择某个学生和参照者进行对比，结果发现，参照者除了在基音频率位置出现声音强度的高峰外，在2300-4600赫兹的泛音频率区域还出现一个共振的高峰，一般称为“第四共振峰”或“歌唱共振峰”。在教学中我们常说的“金属般的声音”就是这个歌唱共振峰所反映出的听觉感受。而学生在基音频率的高峰之后频谱的声强包络线衰减下来之后，一般不出现明显的歌唱共振峰。这样共鸣就变得直观易懂了。
3、CASM系统中生理功能模块
首先，歌唱技能训练的歌唱生理分析方面，声乐教学离不开物质的材料，其本身与自然科学有着多方面的联系，特别是医学、音响学、生物学和物理学等学科的理论与技术在声乐教学中得到了多方面的运用。对发声器官缺乏了解，给人们对声音概念的理解带来困扰，声乐教学活动就是对人声这一“乐器”的科学认知――合理改造――自如运用的过程。因此，声乐教学与歌唱技能训练从了解歌唱生理开始。
在教学过程中，系统中设计多个CAI课件，利用计算机进行讲解，让学生对歌唱生理有一定了解，利用课件中的图片对人的口腔、喉部、声带、胸部等做一个介绍;另外，系统利用纤维鼻咽喉镜对学生的口腔等部位做观测，结合CAI课件预设的知识，将两者的数据信息进行比较，可让学生看到的是自己发声器官的生理结构，如声带的开合情况。当学生对自己用于歌唱的“乐器”构造有了一番详细了解后，教师在歌唱训练中就能够更好地与学生沟通。实验证明，通过喉镜观察到的效果最为直观，可帮助学生很好地提高学习效果。
其次，在歌唱呼吸的数据分析方面，CASM系统中运用了几种生理监测设备，主要作用是监测呼吸和呼吸肌肉群的运动状态。呼吸方面的设备有呼吸力学监测仪，能够对呼吸进行力学监测。呼吸不正确实际上就是呼吸肌肉群的动作不对。肌肉运动方面的设备是多通道生理信号采集处理系统。利用多通道生理信号采集处理系统测量分析肌电图，监测呼吸肌肉的活动情况，并进行调整，可达到有利于歌唱的呼吸状态。
总之，研究音乐技能训练的特点并针对不同的技能训练要点建立一个音乐训练的CASM系统，与一个智能专家系统相似，用计算机来代替音乐专家的一些工作。使抽象的概念与技能变得直观，把一些模糊的概念用计算机数据或者图像显示，变被动学习为主动认知。既可以用于教学或训练，也可以对表演者进行测试，使音乐评判具有一定的科学依据，并可以提出下一步训练建议。建立该系统的意义还在于这一全新的系统发展了传统的教学模式，打破了传统音乐技能课程教学的局限性，形成了数字化的音乐技能教学新模式，对于深化音乐教学改革有一定意义。
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