人工智能背景下提升练琴效率方法研究

黄雅丽

（华南师范大学,广东广州 510000）

在人工智能的发展中，音乐教育逐渐运用智能钢琴的教育方式，发挥人工智能优势，但是在应用的过程中智能钢琴也充满了问题，但随着时间的推移，人工智能也解决了许多教育问题，在处理数据时，可以远远超过人类，并具有特定领域的能力。此外，AI不会感到疲劳、抱怨或罢工。人工智能也有无限的规模价值。换言之，大数据时代背景下，教师应该运用人工智能做好数据收集、分析、计算等工作，并在应用的过程中加强人们的情感沟通和交流，更善于培养创新和创造力。

一、人工智能钢琴简述

智能钢琴不是电动钢琴。AI智能钢琴在演奏的过程中，依然存在钢琴的传统特征。与电子钢琴之间存在差异性，所以强调演奏者要拥有以往钢琴学习过程中的传统钢琴演奏技巧。同时，愉悦传统钢琴不同的是，智能钢琴包含很多现代技术，还有很多技术功能。我国的一些制造商和音乐学院开始合作，全面促进AI钢琴练习形式的应用，真正地在教学中将AI钢琴用于在线课堂教学中，为学生提供了与教师和学生互动学习的体验。从而帮助学生的钢琴练习变得更加有趣。人工智能钢琴可以引导学生一对一练习、学习，还能完成相关的学习。目前的现代钢琴实践和教学带来很大影响。

二、人工智能钢琴练习

现阶段的钢琴教学具有十分复杂的特征，包含生理需要、心理学、音乐，理解等多样化的教育内容。当前智能钢琴的出现给学生钢琴练习产生怎样的变化是目前需要思考的主要问题。而且还应该分析在教学的哪个环节中应该运用智能钢琴代替传统课堂教师教学方式？需要与教师合作做什么？教师必须自己做什么工作？

（一）钢琴基础教学阶段

在钢琴基础教学中，为增强学生对钢琴演奏基础知识的学习能力，学生基本手型、相关坐姿、按键模式、节奏、频谱识别等训练是最基本的。这其中的每个教学都需要家长和教师之间配合完成。目前很多钢琴教师为了激发学生学习兴趣，通常运用快乐教学的方式开展教学，但是教学效果不理想。通过智能钢琴的应用，可以给学生的学习带来兴趣和结果。教师完成钢琴教学任务后，并不能随时的陪伴学生练习钢琴、学习弹奏节奏和练习基础等工作。学生家长会通过聘请培训团队来完成这一过程，然而，培训团队的能力能否满足教学教师的要求，培训团队是否可以协调教师和学生教学之间的关系，以及是否可以达到教师预期的效果都是需要思考的问题。当前智能钢琴可以在没有教师指导的情况下单独完成。并运用4K显示屏与他人之间沟通，将乐谱和表演演示出来，按照相应的动画图像进行学习，进而达到教学实践游戏多样化共享和操作的目的，使学生能够在钢琴学习的过程中变成弹奏钢琴。在简单初期，智能钢琴能够很好地指导和培养学生兴趣，提高教学效果。其中，钢琴节奏练习中，智能钢琴可以给学生带来不一样的体验，有一点像游戏节奏大师的特点。学生在通关模式中也可以更好地学习到节奏，从难度简单到复杂的学习过程，增强学生学习效率。人工智能教师会在4K屏幕上纠正教学，让学习者真正在玩的同时学习。

（二）钢琴教师与AI钢琴的完美合作

关于钢琴教师和AI钢琴的完美合作，笔者认为，两者应相辅相成，并根据两个主题不同的优势和作用，培养学生的学习能力。教师在发展学生个性化学习能力时，可以在学生达到中级和高级水平以后，运用一对一的方法，对学生进行培养。同时，培养和引导学生了解音乐作品的情感表达，更好演奏音乐作品。在此过程，教师根据学生学习程度不同针对性指导，转变以往集体和谐式的教育方式，还会要求学生有效理解不同作品，而不是简单地对作品进行复制。这是人工智能钢琴无法实现的。正如前文人们所说的那样，人工智能是无法完全替代人类的灵魂和情感的。在针对初学者和刚刚学习钢琴的学生来说小组课的形式具有很大意义和影响作用。同时，音乐作品想要表达的方式也会更加简单，表达的意义也容易被学生所理解。通常运用儿歌的形式出现，在相同节奏、旋律、指法的带动下，不需要教师一对一地进行教学指导。并且人工智能智能钢琴教室的出现，也具有很大的实用性，教师可以采用1至10人的大班授课方式，让学生有效地进行钢琴学习，教师还会对每个学生的手形、坐姿、弹奏进行检查，全面节约时间，将学生的学习兴趣激发出来，促进其学生学习钢琴门槛的降低

（三）人工智能钢琴的应用

要想让教学取得合理的教育效果，教师需要发挥人工智能钢琴的优势，为其搜索和挖掘相关信息与数据，整合和计算相关数据工作等。人工智能钢琴具有多媒体功能，将钢琴演奏视频、图片融入课堂教学中，进而构成合理的教学形式，提升教学效果。比如教师可以在帕格尼尼练习曲的教学中，演奏电影《帕格尼尼练习曲》中的小提琴协奏曲。了解作者创作背景是帕格尼尼的小提琴协奏曲，会使学生对李斯特的作品有了更好、更深刻的理解。李斯特将他的作品进行改编，让小提琴作品变成钢琴作品，进而增强小提琴技巧在钢琴方面的使用效果。在运用多媒体向学生展示教学内容的过程中，也能更好地保持学生课堂学习注意力。人工智能钢琴的另一大功能是不会疲劳、抱怨，能够焕发无限的规模潜力，并且逐渐超越人的范畴，可以当作陪练的一种方式。

三、对钢琴练习者的建议

（一）转变教学的观念

新时期背景下，为了更好地融入大数据革命时代的发展氛围中，其教学应该注重人工智能的应用，在人工智能的使用中，要合理的发挥人工智能优势，并且让其成为钢琴学习和教学的一种方式。当前人工智能钢琴可以运用程序数据分析来完成，还能让钢琴练习者在练习的过程中，有效感受到钢琴练习的快乐。目前教师应该将教学保卫时间发挥在前沿思想和知识创新方面，全面强化自身的身体素质和能力，运用具有创造性的教学方式和办法，合理优化教学内容。当然还要运用人工智能技术，激发学生学习的情感理解，使其学生更好地参与到人工智能的学习环境下，增强学生学习质量，并给学生的钢琴学习带来良好的体验。在教学观念的转变中，还要尽可能地让人工智能与人的情感之间融合，通过人工智能将人想要表达的情感，通过钢琴毽子传递出去，增强其文化传播和音乐传递效果。

（二）钢琴练习者是智能钢琴控制器

人工智能钢琴发挥作用关键在于教师是否可以合理的应用，在运用人工智能钢琴中，教师可以和家长一起参与教学和实践当中，在学生使用智能钢琴的过程中，需要发挥教师和家长的监督作用。由于学生的天性是玩，所以在学习的过程中很难控制自己。通过对学生学习的监督，能够使学生形成良好学习习惯，从而将家长和教师共同参与的教育作用发挥出来。譬如在弹奏节奏中，学生可以通过节奏软件愉快地学习，但最终的目的是加强学生独立思考能力和自主操作能力的培养。教师可以在学生学习环节中发挥控制着和引导者的作用，让学生在良好的学习环境下，提升学习质量。

四、弯曲度传感器的智能钢琴手套设计

（一）整体结构

智能钢琴手套，包括：手套组件和音箱组件。练习者戴上手套后，只需根据手指弯曲的状态，就可发出相应的声音，从而达到练习钢琴指法和曲目的目的。其中手套组件包括手套、指关节处的弯曲度传感器、信号发射模块、第一控制单元等。其中手套根据中华人民共和国国家标准：成年人手部号型（GB/T16252-1996）确定。音箱组件包括：壳体、信号接收模块、扬声器模块、第二控制单元。其中，第一控制单元和弯曲度传感器以及信号发射模块电连接;第二控制单元和扬声器模块以及信号接收模块电连接。

（二）关键设计

1.功能设计

在做基于弯曲度传感器手套控制的蓝牙音箱时，主要设计了三种功能：（1）音箱能够播放不同音调；（2）可以通过手势来控制音箱的音调；（3）手套和音箱之间的连接属于无线连接。

2.外观设计

基于弯曲度传感器手套控制的蓝牙音箱的外观分为上位机和下位机两部分，（1）上位机把传感器和我们生活中常使用的手套相结合；（2）下位机音箱使用3D打印方形且带有一定曲面的外壳，这样更能够把声音放大。

3.交互方式

基于弯曲度传感器手套控制的蓝牙音箱的方式包括：（1）弯曲度传感器测量手指的弯曲程度；（2）扬声器发出音调。

4.供电方式

基于弯曲度传感器手套控制的蓝牙音箱设计的使用场景为舞台表演，供电方式选择是电池直接供电。

（三）实体设计

1.元器件

智能钢琴音箱元器件包括Arduino Nano控制器、Arduino Nano扩展板、弯曲度传感器、10K电阻、蓝牙模块、扬声器和音箱外壳等，如图1。其中音箱外壳由3D打印技术打印。

图1 智能钢琴手套关键零部件

（1）Arduino Nano控制器

上位机和下位机都采用Arduino Nano为控制核心，能够支持弯曲度传感器、蓝牙通讯、扬声器等。Arduino Nano控制器硬件电路具体如图2。

图2 Arduino Nano硬件电路图

（2）弯曲度传感器

flex2.2弯曲传感器，当传感器的金属面向外弯曲时，该传感器的电阻值会发生变化，从而可以检测到弯曲度。非弯曲状态电阻：～9000;90度弯曲电阻：～14000;180度弯曲电阻：～22000。实验室，弯曲传感器连接了一个10K电阻，与Arduino Nano相连接。弯曲度传感器为模拟传感器，读取传感器值对应的函数是analogRead（ ），对应的取值范围是0-1023。本作品共使用5个弯曲传感器，传感器与Arduino Nano连线如图2。弯曲度传感器的金属面弯曲时，弯曲度传感器的电阻值会发生变化，从而检测对应手指关节处是否弯曲。在使用中，第一控制单元根据弯曲度传感器测量的手指关节处是否弯曲生成相应的字符信号，并且将该字符信号传输至信号发射模块，设置于壳体内的信号接收模块接收该字符信号并且将该字符信号传输至第二控制单元，第二控制单元根据接收到的字符信号控制扬声器模块发出相应的声音（例如，仿钢琴声）。

（3）HC-05主从机一体蓝牙模块

它的最大特点是将蓝牙当作串口用。蓝牙HC-05，空旷地带传输距离10米左右，默认波特率为9600、默认配对密码为1234。该作品使用2个HC-05蓝牙模块，一块作为发射模块，一块作为接收模块使用。设置波特率函数为Serial.begin（9600），发射信号对应的函数为Serial.println（ ），读取信号值对应的函数为Serial.Read（ ）。上位机和下位机HC-05蓝牙模块接线一样。扬声器模块，相当于一个无源蜂鸣器。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部有震荡、驱动电路，加电源就可以响。优点是用起来省事，缺点是频率固定了，只有一个单音。无源蜂鸣器声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果。常用的函数包括tone（ ），和noTone（ ）。在编曲过程中，我们选用了“多来米发索拉西多（高音）”，合计8个音调。

2.程序设计

采用ArduinoIDE进行程序编写，程序主要实现功能为，当作某一特定手势的时候，音箱会发出对应音调的声音。首先，要对手势进行编码。上位机程序要实现功能为，当作某特定手势的时候，发出不同的字符信号。下位机要实现功能为，当接收到字符信号时，音箱会发出对应音调的声音。

（四）测试

当弯曲传感器接好线之后，分别测出各个手指头弯曲和不弯曲时传感器值。基于弯曲度传感器手套控制的蓝牙音箱，通过短暂的训练，即可以完成各个音调的控制。使用熟练可以依靠手势变化弹出一首简单的曲子。让每个感兴趣的人很快就能上手，并且知识含量也比较丰富。为了让传感器能够直观测出弯曲和不弯曲的状态，根据测量值，定义了各个弯曲传感器弯曲和非弯曲的取值范围。

五、结语

人工智能，背景下，为了提升学生的练琴效率，教师应该合理选择人工智能的教育方式。同时，运用智能钢琴和智能教室，可以更好地帮助学生取得学习成效。因为每件事都有两面性。在学校，智能钢琴的研究者和教育者在教学方法创新等教学问题上更注重教学模式的改进，在分析新教学方法的基础上，也要结合科技发展趋势，有效地提升教师的教学能力，并合理挖掘人工智能对学生钢琴练习效率提升的作用，使其成为学生掌握现代音乐学习知识的一种新方法，帮助学生保持高度学习的注意力和精神。