基于教育云的交互式音乐教学模式研究

闫大卫+涂波+黄小磊

摘要：信息技术环境下的钢琴课程教学模式，是以“用技术学习”的技术应用观为支柱，通过设计多媒体钢琴课程教育资源集成化的教育云架构，并结合当前大数据时代的数据挖掘相关技术，将信息技术手段有效地融合于钢琴教育的交互式教学中，帮助学生深刻理解所学内容，引导学生掌握所学知识的内在规律，切实改善教师讲授——弹奏示范——学生模仿的传统教学模式。文章结合教育云、数据库等信息手段的应用，探究、挖掘了这一新型的教学模式。

关键词：钢琴教学模式；交互式；教育云；数据库；数据挖掘

中图分类号：J639文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn1003-7721.2014.03.018

“教学模式”作为教学论的专业术语，是“指反映特定教学理论逻辑轮廓，为实现某种教学任务的相对稳定而具体的教学活动结构。”顾明远：《教学大辞典》，上海：上海教育出版社1995年版，第194页。 教学模式作为教学理论与教学实践间的中介，它既要对教学活动进行理论指导，又要为教学实践提供具体的操作程序和策略。

目前我国的钢琴课程教学主要采用教师讲授——弹奏示范——学生模仿的传统教学模式。该教学模式在长期的教学实践中已被广泛认可，但是，随着高师学生知识结构与技能结构的变化以及音乐教学内容和教学对象的增多，它的局限性日益凸显，过分强调演奏技能训练的硬性量化倾向，使得某些学生即便能够演奏一些水平较高的钢琴曲目，但在实际的音乐运用上力不从心，例如钢琴即兴伴奏。这种教学倾向容易使学生产生错误的专业思想导向，忽视学生教学能力培养，导致学用脱节，难以适应社会需要。

随着信息技术发展和教育信息化普及，信息资源的爆炸性增长，截止2012年12月底，中国网站总数量达到268万个，中国网页数量为1227亿个中国互联网络信息中心（CNNIC）：2012年中国互联网络发展状况统计报告（2012年），第4页。 。如何整合网络教育资源、如何提高利用效率，降低不必要的教育开销、如何挖掘教育数据且将其应用到教学之中，受到了诸多学者的广泛关注，苏尔坦（Sultan）Sultan， N. Cloud computing for education. A new dawn？ [J]. International Journal of Information Management - INT J INFORM MANAGE ， vol. 30， no. 2， pp. 109-116， 2010 DOI： 10.1016/j.ijinfomgt.2009.09.004. 提出了云计算在教育中的应用方案。

一、云计算与数据挖掘

“云”计算是由分布式计算（Distributed Computation）、网格计算（Grid Computing）、虚拟化等多种不同的技术演进而来。陈国良院士认为“云计算是指基于当前已相对成熟与稳定的互联网的新型计算模式，即把原本存储于个人电脑、移动设备等个人设备上的大量信息集中在强大的服务器端协同工作，能够将巨大的系统连接在一起以提供各种计算服务陈国良、孙广中、徐云、龙柏：《s并行计算的一体化研究现状与发展趋势》，《科学通报》2009年第8期，第1046页。 。”维基百科则以为“云计算是一种口头用语，用来描述多种不同计算概念组成的术语，由大量的电脑通过通信网连接起来组成的计算集群Cloud Computing： http：//en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing.访问时间2013年12月3日。 。”云计算技术的应用，使得教育资源的配置将会进一步被优化，通过直接使用云端存放的信息资源，进一步减轻终端用户的压力袁磊、程美、刘丹、李在荣：《我国云计算教育应用的现状与发展趋势》，《现代远程教育研究》2011年第6期，第45页。 。通过教育资源数据、收集用户信息的不断积累，云端存储的数据可以呈GB1GB=1024MB。 和TB1TB=1024GB。 级别的快速增长。若仅仅依靠人工的标注和选取已经远远无法满足日常需要，这需要运用不同的数据挖掘技术，提供给教育研究者有价值的信息。

数据挖掘是一个从大规模数据中发现有趣（行为）模式、知识的过程 Jiawei Han， Micheline Kamber， Jian Pei： Data Mining： Concepts and Techniques（Third Edition），Manning Publications，p8. 。目前，它广泛地被应用于电子商务、银行、交通、零售等商业领域。随着数据挖掘技术应用在教育领域的进一步推广，教育工作者针对不同的研究对象，构建不同的研究模型，搜集针对性的用户数据，利用一系列例如朴素贝叶斯分类器、神经网络等算法，或者利用社交网络中的关系图模型，也可以利用数据训练针对钢琴课程资源的分类器 分类器就是一种可以将钢琴曲自动归类的一种程序。 ，构建基于大数据的钢琴专家系统专家系统是人工智能的一个分支，是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，采用人工标注、分类等机器学习的方法模拟现实中专家的评判行为，例如ETS对GRE作文的打分系统E-Rater。 等。

二、教育云的架构

随着数据量的增长、产业升级、新产业的诞生，对大数据处理的兴起改变了云计算的发展方向，使其逐渐迈向以分析即服务（AaaS）的Cloud 2.0时代李国杰、程学旗：《大数据研究》，《未来科技及经济社会发展的重大战略领域——大数据的研究现状与科学思考》，《中国科学院院刊》2012年第6期，第647页。 。为了让教育充分整合当代最新的计算机技术，文中基于教育云教育云，即将当今最新的云计算技术在教育中的应用而形成的一个概念。 的模型便是在这个背景下提出的。

教育云是云计算在教育行业的应用，它可以有效地结合教育信息化过程中产生的数据资源，为教育信息化提供良好的基础服务支撑，建立一个高效、开源、时新、智能的教育资源平台，有效地缓解不同地区教学资源之间分布不均、更新速度缓慢、共享程度低、无法获取收集整合分析用户数据等诸多缺点章泽昂、邬家炜：《基于云计算的教育信息化平台的研究》，《中国远程教育》2010年第6期，第67页。 。以下为基于教育云信息资源平台的设计框架介绍。

1.教育云平台架构（见图1）

2.架构详解

基础资源层，即IaaS（Infrastructure as a Service），分为物理资源层和资源虚拟化层，为高层提供数据存储和网络通讯等基础服务。当前主流的虚拟机软件有在Linux平台上运行的XEN和在Windows Server平台上运行的VMware等 Xen和VMware都是硬件虚拟化的软件。 。

`图1教育云的架构设计

中间件层，构建在基础资源层之上，面向教育软件的开发人员，为开发各类基于云计算的教育应用软件提供开发服务的接口和公用API 等，即提供PaaS（Platform as a Service）IaaS、PaaS、SaaS分别对应着云计算中的三个服务层级，分别为基础设施即服务、平台即服务、软件即服务。 。开发人员可以利用公用的API获取到底层中的资源，同时可以利用管理系统对底层的资源进行多方面的配置，直接将软件依托给云端减少了开发人员很多不必要的麻烦。

教育应用服务层，提供各类的教育教学相关的服务应用，在这里是提供与钢琴教学有关的服务，即提供面向教育的SaaS（Software as a Service）。本层在中间件层基础上开发了4个模块，在4个模块的基础上又添加了利用数据挖掘技术的信息管理层，本层主要包含：（1）用于教学资源管理与学生信息管理的教学平台，例如支持发布与上传钢琴弹奏视音频等课程资源文件、支持收集用户点击和浏览信息数据等；（2）虚拟教学环境，为教育者和学生提供虚拟的教学环境，例如远程教育、可触摸的交互式虚拟现实教学系统、ChronoZoomChronoZoom是一个开源的社区项目，旨在可视化历史，在科学人文之间架起桥梁，从大历史的角度讲述故事，让人能更易于理解这些信息。 ；（3）移动教学环境，为平板电脑、手机终端的软件开发提供有效的接口，教育开发者可以根据此接口获取底层的教育资源；（4）教学软件开发，用于教学资源开发的文档处理软件、课件制作和演示等，例如华中师范大学开发的教育双白板华中师范大学研发的“基于多点触控的学习系统”.http：//nercel.ccnu.edu.cn/html/research_enter_detail.html？id=116。 。同时在这四个基础模块之上，还构建了利用数据挖掘技术的信息管理层，通过获取学习上层用户行为等数据，进行同步信息提取、信息推送等服务。

用户服务层，为用户访问教育云提供三种服务：基于移动端和基于PC终端的数据服务，同时提供了课堂教学实时交互环境服务。借助于Web2.0技术和CS（Client & Server）主从式架构Client Server Model. http：//en.wikipedia.org/wiki/ Client%E2%80%93server_model。 架构，用户只需要使用浏览器或者移动（手机和平板）终端便可以访问服务，在钢琴教学过程中提供与云平台实时交互服务。

三、数据挖掘的交互式教学系统架构

数据挖掘是一个多学科领域，它融合了数据库技术、机器学习、概率与统计学、信息检索、模式识别等多个学科王光宏、蒋平：《数据挖掘综述》，《同济大学学报》2004年第2期，第247页。 ，基于数据挖掘的信息系统建立在教育云为基础的服务上，如何利用海量信息资源构建一个具有交互式的教学系统是一个重要的研究热点，而当前仅仅依靠数据库的查询检索机制，很难获得一些非结构化的信息，例如语言文字中所包含的情感信息等。此节将重点介绍本文设计的交互式音乐教学系统的框架结构。

在基于数据挖掘的信息管理层总体架构中，用户系统分为学生和教师系统，可以通过基于开源项目Lucene Lucene是Apache基金会下的一个搜索引擎开源项目。 构建的搜索引擎系统，搜索所需学习资料，同时，搜索信息被记录；推荐系统通过在资料库中获取到用户的相关信息，给用户自动推荐相关的学习资料等。博客与论坛，是作为钢琴教育教育信息化的主要平台，用户可以通过这个平台进行信息发布，例如音乐作品的发布与展示，进行学生与学生之间的学术讨论，老师与学生之间的学习交流，在这个基础上还可以利用数据挖掘系统建立一个教学知识问答系统（见图2）。

在上述的总体架构的基础上，又设计了更为详细的基础架构，如图3所示。在基础架构中，整个系统会围绕着用户界面（GUI）进行交互，也就是以用户为本，全面围绕着用户展开教学，用户通过实时的搜索引擎获取最新的音乐教学资料，同时可以看到，搜索引擎的索引表是实现的动态更新，索引表存储于内存之中，方便用户快速访问。用户信息数据库通过搜集用户信息和用户在用户界面上的动作，例如点击和输入的文字等，将信息分类传递给用户模型和推荐系统等，再由此系统再将用户可能感兴趣的音乐教学资料传递给用户，达到实时交互的目的。

`图2基于数据挖掘的信息管理层总体架构

`图3基于数据挖掘的信息管理层基础架构

四、教学模式分析

（一）钢琴教学资源库的基本建设内容

钢琴资源范围广、数量大，如何建设既能符合实际的教学设计，又能有效地结合学生实际需要资源库，是教育云在构建初期的一个重要议题。如果没有完整的数据框架，不仅对课程展开影响很大，也失去用户基础，从而影响后续的教育信息积累和收集。

文中的“教学资源库基本数据架构”，是基于笔者十几年的钢琴教学经验和广泛的学生调查而完成的。此数据资源架构不仅满足平时教学的需要，也为后续的分类模型等设计提供了理论依据，尤其是分类规则上，而且在此资源基础之上还设定了扩展资源板块，为今后资源的扩展提供了理论支持。

（二）智能化音乐教学内容

信息时代使学生享受到了丰富的电子教育资源，但是，他们往往又面临着严重的问题——信息过载蔺丰奇、刘益：《信息过载问题研究述评》，《情报理论与实践》2007年第5期，第710页。 。从钢琴教学角度而言，每个人可以接触到太多的钢琴曲谱、钢琴电子图书、钢琴的视、音频弹奏等资源，且远远超过了个人可以分析并从中获取知识的能力。由于学生处在专业学习的起步阶段，“被淹没在知识海洋里”的感觉尤为强烈，会浪费大量的时间和精力。然而，不同的学习资源有着不同的风格和特征。钢琴资源库构建出的分类规则借助机器学习和数据挖掘的方法，对这些学习资源进行标注，通过教育云中构建的学生模型，分析学生需求，动态的为学生推荐所需要的资源。学习意图感知和推荐系统是提高学生自身水平的重要技术手段，可以引导学生在平时的学习中不断体会，不断提高，达到举一反三的目的，以《前奏曲》为例（见谱例1、谱例2）。

谱例1、2分别以分解和柱式和弦形式出现，横、纵向的对比结合从而奏出两种不同的音响色彩。教师首先标注作品版本、表演者的属性，接着标出钢琴曲的风格及内涵特点，分析标注《前奏曲》的声部构成，注解多声部弹奏要求与方法；然后借鉴其他艺术形式中的“层次”观念，标注钢琴音乐中声部、层次、旋律线条、和声等概念，并对这些不同概念重要性赋予权重（见表2）。

随后再结合学生的课程内容特点、个人填写的兴趣标签等，经过学生的模型处理，将相关数据和云平台所存储的音乐作品进行属性向量的正向匹配，得出一个基于0、1之间的数值，通过不断调整阈值（threshold）筛选符合要求的电子资源，然后反馈给学生相关性高的音乐作品，通过学生的点击以获取学生是否需要这些作品，从而反馈给智能推荐系统，优化排序，达到系统与学生交互的目的。

构建上述基于教育云的交互式音乐教学推荐系统的同时，系统会自动记录用户访问服务过程中的信息，从而传递给下层的数据挖掘管理系统，以实现更加智能的教学管理环境，教育者根据系统反馈的用户信息，可以自动调整教育方法和内容等。此系统通过信息检索和数据挖掘等技术对教学资源进行了有效地管理，并利用数据挖掘技术捕获或预测每位学习者的学习意图和兴趣，主动向学习者推荐与其兴趣相关的科教资源，提高了信息的到达率，扩展了阅读的效果，也提高了学习者在网络环境下学习的质量。

（三）交互式虚拟化教学平台

利用教育云提供的资源，构建与钢琴教学相关的课程学习网站，将云端资源以教学平台方式提供给学习者，建设共享钢琴教育资源库。虚拟化教学平台的构建，能够实现优质的教育教学资源共建共享，为学生学习和教师的业发展提供更加有力的支持。教师授课时，可以根据实时所需获取教学资源，同时也可以根据学生的不同情况进行调整，因材施教。）

对文本、图像、音频和视频等信息的集成处理，突破创新，扩大了补充知识的容量，充分调动参与者的主体意识，为学生提供了全方位音乐学习的交互学习情境，以车尔尼《钢琴快速练习曲》作品299的第19首作品中的前八小节伴奏织体为例：

谱例3

谱例4（四对三）

谱例4采用“overture4.0中文版”打谱软件，兼用“IPAD”平板电子播放器，现场对本首作品进行左手的伴奏织体重构，让学生感受到信息技术环境下较新颖的课程教学内容。在教师指导下，利用信息技术尝试进行举一反三的重构。把原谱的和弦织体变形为“三连音”的分解织体，配合和弦演奏产生出“四对三”的不规整的音响效果，古典色彩的作品瞬间变成浪漫风格。借用信息技术同步录音、同步播放，并和教育云端的资源同步进行，用“IPAD”平板电子播放器，播放出原谱的旋律加以变形后的节奏织体，最后进行整合重构。

学生编辑出简单的伴奏织体后，通过网络上传“教育云”平台发布，让学生之间、师生之间参与讨论、评分、点评，封闭式课程变成开放式，局限于课堂上有限时间的传统教学拓展为无限时空，灌输模式扩展为交互式教学，以激发学生学习音乐的热情，极大地扩充课程容量。如下图所示：

`图4教学平台的交互模式

教育云上资源积累是一个协作互动的过程。资源的提供者与使用者之间角色定位界限并不分明，教学资源的使用者有时又能成为教学资源的提供者。教师在分享钢琴教学资源的同时，学生也可以通过平台分享自己的学习资源，例如钢琴资料、弹奏心得等等方面的内容。通过教学平台，师生都参与了教育资源的建设，取长补短，以不断补充、更新优质资源库并保持其可持续发展任友群、沈富可、卢蓓蓉、赵春：《大学的开源何以可能》，《中国教育信息化》（高教职教）2009年第13期，第4-8页。 。在图1示意图中，教学平台通过对学生信息的收集和分析，将学生掌握知识点的程度、学习进度等反馈给教育者，教育者可以灵活的调整教学计划。

媒体技术使教育不再仅仅依附于教师、书本和生活经验，把教育从单一的传授知识的桎梏中解放出来，把精力和重点放到发展学生潜能及综合素质，构建学生自主、独立的听觉思维顾晓清：《信息技术与课程整合教程》，上海：华东师范大学出版社第2008年版，第112页。 。学习者通过教育云提供的服务，自由地选择学习内容和学习方式，更好地利用信息资源和服务，教育管理机构和教育科研工作者则更好地管理教学资源，动态的了解学生真正的课程需求，通过统计分析手段，开展教学设计、优化教学过程。

（四）远程教学与移动设备的接入

在信息化教育背景下，当今的钢琴课教学模式得到了长足的发展和创新。除“频谱图、录像、MIDI音乐”外，由多媒体技术与计算机网络结合而衍生来出的“现代远程教学”，同样可以应用于社会普及化钢琴教学中。面对面讲授钢琴演奏技法的传统授课模式，将演奏方法及音乐表现方法传授给学生，这种授课形式耗费了大量的人力、物力资源，受益范围却是有限的何克抗、吴娟：信息技术与课程整合，北京：高等教育出版社2007年版，第97页。 。

如果将远程教育模式运用到钢琴课堂中，不仅能够解决上述问题，与此同时也能通过网络通讯技术的传播，增进学生之间的相互交流，让课堂内容变得更为多样化，使原本简单地以人为中心的钢琴课，变为多位教师、多种理念的综合课堂。这种教学模式同样充分利用了多媒体集成性和交互性的特点，它改变了传统集中、单一的教学方式，有助于将传授钢琴演奏技艺变为一种文化、风格、艺术的全面交流。这对教育内容、教育方式方法、教育机构变革、教育观念更新均产生巨大影响。

在“教育云架构图”（见图1）中添加了对移动终端的支持是十分必要的。《2012年中国互联网络发展状况统计报告》中指出，2012年我国手机网民数量为4.2亿，年增长率达18.1%，远超网民整体增幅。此外，网民中使用手机上网的比例也继续提升，由69.3%上升至74.5%，其第一大上网终端的地位更加稳固。通过支持移动终端设备，学生老师可以随时随地访问教育资源，增加了教学的灵活性，有助于促进信息技术教育现代化的实现。

在结合了数据挖掘和云计算新型技术的教育模式下，钢琴教育发挥信息技术更新快、交互性强、便利、直接的独特优势，将教学资源依托给教育云平台，减少了维护的麻烦，大大缩短了软件开发周期，同时使得资源的共享更加方便；其次，将数据挖掘的相关技术融入教育教学中，使得整个教育过程更加智能化、人性化，同时也减少了教育者的负担，激发了学生主动学习的能动性；最后，开发教育信息平台，同时采用远程教育、移动终端接入等多种信息手段，有助于增强学生之间、师生之间的互动，同时可以有助于教师全面了解学生的动态，使传统的以教师为中心的课程教学结构发生根本性变革，让学生的创新精神与实践能力的培养真正落到实处。

教育云是未来教育信息化建设的基础架构，它向教育机构、教育工作者和学生提供各种教育活动所需的信息化服务。本文提出了基于教育云的钢琴教育信息化平台的架构及其运作的模式，同时有效地结合了当前的数据挖掘技术，利用平台的统一性、开放性和灵活性将有助于解决音乐教育资源分布不均、内容贫乏枯燥、不具有智能化调节和共享程度低等问题。这种教学模式同样充分利用了多媒体集成性和交互性的特点，它改变了传统集中、单一的教学方式，有助于将传授钢琴演奏技艺变为一种文化、风格、艺术的全面交流，对教育内容、教育方式方法、教育机构变革、教育观念更新均产生巨大影响。

在未来的工作中，我们将更详细的计划实施教育云的具体部署工作，对于如何最大效益的利用基础资源，并由钢琴课程教学为出发点，并在其他学科教学领域进行推广，且针对可行性、经济效益、数据模型等方面展开更为详致的研究，以及对教育云进行譬如中间层级的API开发，从而使得更多的人能够投入教育云未来的建设之中。

（责任编辑：刘莎）