基于音频工作站音乐虚拟仿真实验课建设思路

柴庆伟，刘 敏

(1.集美大学音乐学院，福建 厦门 361021；2.艺术综合训练省级实验教学示范中心，福建 厦门 361021)

随着教育信息化建设的逐年深入，应用型文科实验室的建设逐渐成为高教实验室建设的一大课题，而音乐学实验室则是文科实验室的一个典型代表[1]。2013年，我国启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，将虚拟仿真技术引入到本科实验教学[2]。截至2016年初，全国高校已经建立了各学科方向的300个国家级虚拟仿真实验教学中心，其中没有观察到与音乐学科相关的实验教学中心，但从音乐教育来看，音乐活动与实验教学是相互渗透、相辅而行的[3]，从教育部的相关文件来看，音乐学部分课程具备开展虚拟仿真实验教学的要求和条件。笔者通过长期的计算机音乐的教学实践，认为使用音频工作站和采样合成器可以解决部分传统方式教学过程中所出现的问题，这恰恰符合虚拟仿真实验室建设的目的和要求，因此试图通过对计算机音乐软件系统功能的分析和研究，以音乐学专业部分课程的教学瓶颈为依据，以实验课程建设和项目建设为目标，探讨音乐学虚拟仿真实验课程的建设思路。

一 音频工作站中的虚拟仿真

(一)计算机音频工作站

音频工作站是指一个综合音频工作系统，可以完成音乐的编曲制作、录音、混音、剪辑等工作。目前，以计算机为核心，辅以特定的软件硬件设备而构成的计算机音频工作站成为主流，由于其结构简单、造价低廉、功能丰富，因而在学校、团体及个人中得到广泛使用，其系统构成如图1所示。

(二)虚拟仿真资源

计算机音频工作站中的虚拟仿真资源的特征主要包括两个方面，一为对声学乐器的虚拟，二为对音乐表现要素的虚拟。

1.对声学乐器的虚拟主要体现在编曲过程中所使用的一系列音色软件，通过对实际乐器结构性能、演奏逻辑及音响特征的分析，分别对其所能够产生的音响进行采样，从而得到该乐器全面真实的音高音色信息，形成音色数据库文件(采样音色库)，在实际工作中这些数据库便以虚拟乐器的形式参与到音乐制作中。根据编曲者的设计需要，通过MIDI信号的触发而发声，代替真实声学乐器发挥声部作用(其工作原理如图2所示)，从而实现了削减演奏人员和实际乐器方面的开支，降低了制作成本，提高了工作效率。由此不难发现，音色软件所起的作用就是“代替”真实乐器，我们可以进一步将其理解为“由一个数字化的虚拟乐器系统去模仿一个真实的声学乐器系统”。

2.对音乐表现要素的虚拟体现在音频工作站中的参数控制中。音乐表现要素为音高、音长、音色、音量、速度、力度等多个方面，在实际音乐演奏或演唱中，表演者根据乐谱中的各种标记结合个人的理解进行演绎。在音频工作站中，这些要素则体现为各种参数，通过对参数的选择、设定、动态变化来实现对真实演绎的模拟(工作原理如图3所示)，如表情控制器(cc11 Expression)可对管乐器或弦乐器进行发生过程中的音量进行动态控制，在速度窗口中可以勾勒出全曲的速度曲线，设置均衡器中某频点的增益可以改变音色特性等等，都是对演绎中过程控制的模拟。

(三)应用原理

在计算机音乐的教学过程中，最核心的问题就是对音频信号的处理和操控，而对于音乐类的虚拟仿真实验来说，其本质仍然是对声音的模拟仿真以及对声音发生过程的操作与控制，因此计算机音乐与音乐的虚拟仿真实验有着天然的联系。

1.音频工作站是一个多声部音乐的制作和回放系统，在此诸多音乐要素可以根据用户的需要被选择、重组、变形，并最终根据用户的要求来输出音响，也就是说用户的音乐行为可以视作音乐要素之一来进入到音频工作站中，并参与音响的输出，这就完成了一次人机的交互合作。如在音乐制作的过程中演奏MIDI键盘发出MIDI信号，虚拟乐器则根据接收到的MIDI信号来确定音高、音长、力度等控制信息，按指令做出回应，此时就得到了符合要求的音响反馈，从而完成一次人机交互(见图4)。

2.众多音色以音色库的形式储存在硬盘上，这些音色最终是以虚拟乐器的形式参与到音乐的制作中，因此采样音色本身就可视为虚拟乐器，并且种类繁多，远远超出一般用户的使用需求。掌握好和使用好采样音色，将其应用到教学当中，就形成了一定意义上的虚拟仿真实验教学。

常用的软件音频工作站有Cubase、Protools、Logic等等，都具备多轨录音、轨道选择输出、实时处理、音频测量、移调变速等可用于实验教学的功能。而目前最强大的采样音色合成器非Kontakt莫属，它不仅是一个采样音色的播放器，更是一个虚拟乐器的制作工具，用户可以根据自己的需要对特定的声学乐器进行采样，通过Kontakt编辑管理，形成可以被演奏的虚拟乐器。因此，以音频工作站与采样合成器为核心，可以迅速解决音频处理的核心技术问题，也可以迅速获得数以T计的虚拟乐器库，从而降低虚拟仿真实验教学系统的研发周期和成本，并使教学系统的质量得到有效保障。

然而从软件开发公司角度来看，其主要工作是制作虚拟场景、虚拟设备等虚拟实验要素，并根据用户的实验脚本完成实验流程的编程与制作，实验的过程与结果均为预制好的程序和数据，细节的制作精度和智能化程度取决于实验建设投资的大小，多数制作公司并未涉及专业音频领域的研究，对于乐器的虚拟仿真产品研发存在较大困难。在实际的音乐项目开发过程中，开发公司自身无法实现对高保真度的乐器演奏虚拟，因此必须整合计算机音频工作站，才能有效满足音乐专业的虚拟仿真实验需求。

二 教学中的瓶颈

(一)瓶颈的形成

在音乐学基础课和专业课的教学中，由于某些客观条件的局限，如实验室建设费用高昂、教师指导学生实验难以到位、教学目标难以落实等，都使得某些实训练习、理论验证没有条件开展，或者低水平开展，有一些则是局部开展，使得师生的教学在正常的水平上很难实现较高层次的突破，形成教学的瓶颈，从而极大地影响了高质量音乐艺术人才的培养[4]。这些都给虚拟仿真实验教学的开展留下了巨大的空间，其现象主要表现在以下几个方面：

1.大型贵重乐器无法惠及全体学生。钢琴是音乐学院中最多的乐器，学生使用的钢琴往往是出厂年代久远、声音品质较低、表现能力缺乏的状态，即便是遇到了钢琴更新，采购方也会为了惠及更多学生而选择增加数量而放弃性能。没有高性能的乐器，学生的良好乐感又如何培养呢？

比如九尺施坦威钢琴是钢琴学生的终极梦想，其灵敏的键盘、浑厚的音色是音乐厅舞台必备的压台重器。但其高昂的造价，使得部分经费短缺的学校望琴兴叹，即便是有条件购置的单位，也只是提供高水平音乐会使用，学生的日常学习很难触及到此类钢琴，这就使学习钢琴的学生缺乏一流音乐厅钢琴的演奏体验，更谈不到对此类钢琴的驾驭能力，从而无法进一步提升演奏能力。

2.多样化的乐器门类无法做到实物展示。“民族民间音乐”和“世界音乐”是普通音乐本科生的两门基础理论课，其间涉及到大量的中国民族民间乐器和世界各地的民族民间乐器。从学校层面看，由于管理使用等诸多方面的限制，无法备齐所有的民间乐器；从学生的角度看，因培养方案的要求，也没有充足的学时去掌握所有课程中的民间乐器。学生目前的学习也只能是看图片和听录音，无法触摸到真实的乐器，更无法认识此类乐器的演奏性能以及对应的音色变化，因此设置对应的实验课就无从入手，从而降低教学的要求。

3.时间空间的局限无法使学生充分训练。对于“合唱”“乐队排练”“室内乐重奏”“声乐钢琴艺术指导”等课程来说，需要所有课程的参与者约定同一时间，来到具备上课条件的特定场地，依照各自在课程中的角色分工，共同协作，才能使课程得以完整进行，因此，离开了这个特定的时间和空间，离开了协作伙伴，该课程就无法正常进行，这使得教学过程难以重复，课后学生没有学习和训练的条件，无法实现自主学习，从而使学生仅仅获得课程体验，而非全面掌握。

4.人员资金等不足无法开展必要的艺术实践。“配器”是一门多声部写作的专业基础课，需要学生对乐器的演奏方式、表现性能、音色特征等方面非常了解。但长期以来，由于除专业院校外的多数院校没有完整编制的管弦乐队，也没有针对课程的专项经费，因此配器的学习仅仅停留在谱纸上的练习，很少有学校有能力使学生的配器作品得到音响的实现，即便是专业院校的作曲系，也是需要特定项目大量资金的资助，才能够聘请乐团演奏自己的配器作品。因此“配器”的学习需要通过大量的编配实践才能掌握，是最需要通过实验进行理论验证的音乐理论课。

5.因参与者主观感知能力的有限性和不稳定性而导致客观评价的缺乏。音乐是一门听觉艺术，其本身是客观的，但人们在感知音乐时却表现出了极大的主观性，加之近年来招收的大一新生都缺乏规范的视唱练耳训练，导致其主观感知能力非常有限和不稳定，如对音高、音长、音色、音量等音乐信息通过主观感知后无法做出较为准确的客观评价，这也在很大程度上制约了学生专业能力的发展。

(二)瓶颈的解决

整合音频工作站，开发虚拟仿真实验教学系统可使突破上述教学瓶颈成为可能。根据问题的特点，可从两个方面考虑实验的开展。

1.针对涉及大型贵重乐器、台套数不足的乐器、世界各地区特有的名族乐器的课程，因乐器资源缺乏而导致的教学瓶颈，可使用虚拟乐器来开展实验教学，学生可以通过演奏MIDI键盘或在音频工作站中输入音符、力度、表情等控制信息，在听觉层面获得仿真体验，并掌握乐器的音响特征以及演奏性能。由于虚拟乐器无需调律，也不用考虑存放环境温湿度的变化，因此在实际应用中其音高和音色比真实乐器更加稳定。

2.针对时间、空间、人力、资金等客观因素的局限所造成的教学困难，可利用音频工作站多声部重组回放的特点，开展乐队、合唱训练以及配器实践等实验课程。在一部排练作品中，学生确定自己在乐队或合唱队的声部角色，根据训练需要在音频工作站中选择其他伴奏或伴唱声部进行重组回放，学生根据自己的奏唱能力来调整回放声部的播放速度和音量，配合仿真音响来完成声部角色的奏唱，从而实现合奏合唱训练的目的。在此音频工作站代替乐队或合唱队，学生可以针对自身的不足就某一片段进行反复训练，从而提高训练效果。同时多种虚拟乐器的集合可构成虚拟乐队，配器作品可通过虚拟乐队实现音响虚拟，从而使学生获得从理性创作到感性认知的学习体验(如图5所示)。

三 实验课程的建设思路

根据上述所析，通过虚拟仿真的实验教学手段，可以解决课程中的瓶颈问题，同时还可以培养学生分析问题和解决问题的能力，而且还会促进学生思维方式和工作方法的形成[5]。研究表明学生实验动手能力与理论考试成绩呈正相关，即学生实验动手能力比较好的 ,理论考试成绩也比较好[6]。因此虚拟仿真实验课程(后简称实验课程)的建设就需要打破原有的课程限定、凸显实验课特色[7]。

(一)实验课程目标

该实验课的课程目标针对音乐学专业教学中的瓶颈问题，通过虚拟仿真的实验教学手段，打破传统教学中时间、空间、资金、人员等方面的制约，实现教学资源的升级，使学生能够得到最优的学习资源，成为传统教学方式最强有力的补充，从而突破瓶颈，使教学在新的高度上实现更高质量的飞跃。具体目标为：

1.建成音乐学虚拟仿真实验教学软件平台，整合Cubase和Kontakt建立器乐、合唱、配器等课程的项目工程文件。

2.虚拟仿真课程数据库，如合唱作品分声部音响数据库、配器谱例分声部数据库、虚拟乐器音色数据库、声乐器乐作品伴奏音响数据库。

3.建立音乐学虚拟仿真实验教学模型。

4.通过三维建模实现虚拟音乐厅、虚拟琴房等虚拟场景。

5.形成认知验证型、设计创作型、互动创新型等多种形态的音乐课实验教学模式[8]。

(二)实验课程的构建

在音乐学传统的理论课教学中，较少使用实验教学的方式来验证或说明音乐中的某种现象，其原因是缺乏实验手段、没有实验课程，或课程不设实验环节，所以如何开设实验课就成为一个关键的问题。根据不同课程的特点，其开课思路可以有针对性地采用“重构”“升级”“转化”“交叉”四种不同的方式来进行实验课程的建立。

1.课程重构[9]。指将课程的内容进行解构，之后按照一定的教学要求和目标有选择地进行重构，从而使学生从更高的层面掌握教学内容。如合唱教学长期以来，学生通过一个固定的声部角色来参与合唱的学习，只能熟悉掌握这一个声部，如果对合唱声部进行解构，通过实验教学方式，学生可以尝试采用不同的身份并选择不同的声部参与学习和练习，从中体验不同组合的音乐效果，从而实现全面掌握作品的教学目的。如图6所示。

2.课程升级。指因教学条件所限而不做教学要求的内容，因教学手段的改进而重新进行教学要求，从而整体提升教学的品质，主要形式为教学内容的扩展、教学手段的改进、实验教学的引入等，在形式和内容两个层面都可以实现课程的升级[10]。如世界音乐、民族民间音乐中的某些特殊乐器无法做到实物展示，因此对这部分内容无法做进一步的教学要求，因而降低教学标准。如果通过课程升级，用虚拟乐器的形式将这些特殊乐器的诸多特征展示出来，通过实验课，使学生对这些乐器的音色、演奏法、基本音乐语汇等方面进行深入学习，使之成为教学的着力点，并重新对这部分内容进行教学要求，从而拓展课程的教学内容、丰富教学手段、提高教学质量。

3.课程转化。指一门课程通过教学形式的变化而形成实验课程。比如传统意义的“器乐课”仅仅是相对于“钢琴课”“声乐课”等课程而言的器乐演奏课，“器乐课”一词就成为学生学习的某一件特定乐器的代名词，比如“二胡课”“琵琶课”“古筝课”等等。通过课程转化，将传统意义的“器乐课”转化为实验课，可以利用虚拟乐器，实现同时对多种乐器的认识和学习，使学生掌握多种乐器的音色特征、演奏法特征、常用音乐语汇等，并通过MIDI键盘实现对虚拟乐器的演奏，从而扩大了“器乐”一词的课程内涵，拓展了学生的知识面、提高教学质量。

4.课程交叉。指不同课程之间的相互结合而实现课程间的相互支撑和相互验证。如“配器”“器乐”“电脑音乐”三者的结合，可以在实验室通过做实验的方式来观察“特定乐器在乐队中的作用”“配器色彩的变化因素”等，从中不难发现“配器课”和“器乐课”相互结合、相互验证各自的作用和意义，并通过“电脑音乐”的技术手段来完成整个实验过程,这已成为高校音乐专业教学的新形势[11]。

(三)实验课类型

根据音乐学自身的专业教学特征，可分为技能训练型实验和理论验证型实验两大类型，根据学生的适应情况，在具备一定的计算机操作能力的条件下，可从大学二年级开始进行虚拟仿真的实验教学。

技能训练型实验课，指培养“演奏”“演唱”技能的专业实验课，可依据现行的课程培养方案进行小组授课或个别授课，课后可进入虚拟仿真实验训练，进行技能的提升巩固，如合唱课、乐队训练课等；或根据课程要求和需要，直接进入虚拟仿真实验教学，如声乐或器乐的艺术指导课、虚拟乐器课等。

理论验证型实验课[12]，指培养理论的 “认知”能力和“应用”能力的专业实验课，可在现有培养方案的基础上按照1:1的比例增设实验课，在学时条件不允许的情况下可以从理论课时中分割一半的学时作为实验课，或者学生自主实验训练。如和声课和配器课等，均可以按照此类方式开课。部分理论课，可以根据章节内容的不同，选择性开设实验课，如世界音乐、民族民间音乐等。

长期以来，音乐学科内的实验课是一个非常模糊的概念，什么是音乐专业的实验课，哪些课程需要开设实验课，都没有严谨的概念定义。实验课、实践课、技能课，统一称为实验课，其间是否有联系？又是否有区别？都从未界定，许多音乐院校常常以专业特殊性来拒绝向其他学科借鉴，没有清晰地划分出理论课与实验课，更没有规范的实验课教学档案[13]。因此课程中的实验项目就更不明确，所以实验项目的建设必须以实验课程的建设为前提，只有明确实验课程才能有效地分离出实验项目。

(四)实验项目的梳理

实验项目的建设由实验内容建设、教学环节建设、教学平台建设、互联网+业务管理系统和实验结果评价五个部分构成[14]。从近年来国家级虚拟仿真实验教学平台的建设来看，实验项目是建设的重中之重，平台的建设必须依托具体实验项目的建设。从音乐表演实践课程中的线性与非线性特征(表演技术能力的线性发展，音乐作品的非线性积累)来看，实验项目可以从技术能力(理论技术能力、表演技术能力)方面、音乐作品两个方面来建设，即具体的创作、演奏或演唱技术可以作为一个实验项目，具体的音乐作品也可以作为一个实验项目。

例如：“和声学”中可以将具体的写作技术设置为实验项目，如“和弦的平稳进行”“和弦音的跳进”“属七的公式化进行”等等。在“配器”中，“小提琴泛音奏法”“断音弓法”“渐进型力度变化”等都可以作为理论技术能力的实验项目。

又如：“声乐”中，“胸腹式呼吸”“头腔共鸣”等，“器乐”中，“竹笛单吐音”“古筝遥指”等都可以作为表演技术能力的实验项目。

再如：“混声合唱《问》”、“女声独唱《玫瑰三愿》”、“二胡独奏《二泉映月》”、“钢琴独奏《悲怆奏鸣曲》”等都可以作为相应课程的“作品型”实验项目。

(五)实验课程的运行系统

音乐学虚拟仿真实验教学系统的核心是声音的实时交互处理系统，根据“能实不虚[15]、虚实结合”的建设原则，其系统的软硬件构成如下：

硬件系统包括高性能计算机、音频接口、声音信号触发设备(MIDI键盘)，音频信号输入设备(拾音话筒)，声音输出设备(扬声器、耳机)、虚拟场景呈现设备(显示器、投影仪)等。

软件系统包括宿主平台、实验室界面程序、虚拟场景程序、软件音频工作站、采样合成器、软件音频效果器、采样音色库等。

四 对虚拟仿真建设的反思

毋庸置疑，虚拟仿真实验项目的建设解决了高危实验教学中的风险，解决了资金不足套台数不够的问题，也使许多抽象概念变得生动具体等等，但虚拟实验所终归不是现实，它可以解决认识过程中的部分问题，但一定不是全部。用辩证的眼光来看虚拟仿真实验的建设，还存在一些问题：

1.对于音乐专业而言，虚拟乐器终究不能代替真实乐器，一种乐器的演奏任然需要使用真实乐器，使用科学的训练方法，经过长期练习才能熟练掌握。虚拟仿真实验仅在音乐音响的体验层面发挥作用，解决不了实际演奏的问题。如施坦威钢琴，我们可以使用MIDI键盘来触发优质的钢琴音色，使学生得到音响体验，但我们无法实现键盘触感的仿真，无法实现演奏过程中丰富多彩的音色变化，因此这种局部的实验无法实现真实斯坦威钢琴的演奏体验。

2.建设虚拟仿真实验本身需要投入大量资金，所建项目仅是实验课中的某一个问题，并非全程性实验。在实际实验教学过程中仍然以传统实验方式为主，因此象征意义大于实际应用意义。

3.风险、资金缺乏等客观因素并没有因虚拟仿真实验的建设而消失。虚拟仿真实验淡化了风险的存在，无法使学生建立起良好的安全意识，也无法使学生真正认识实验的价值和意义。

4.实验过程中的偶然因素，以及实验结果的多样性是目前虚拟仿真实验难以突破的瓶颈，许多虚拟仿真软件都采用预制实验结果，而并非智能运算生成，这也就意味着实验的结果会集中在某个或某几个特定的结果上。实验没有失败的可能，从某中程度讲也是对学生的误导。

合理利用虚拟仿真实验资源，将更大程度惠及学生的学习需要，但一定要看到虚拟仿真的局限性，避免对学生产生误导。在实验教学中发挥虚拟仿真的优势，与传统实验相配合实现功能互补，为学生创造更加科学、客观、有效的实验教学环境。

五 结束语

学生实验动手能力与理论考试成绩呈正相关。即学生实验动手能力比较好的 ,理论考试成绩也比较好；相反学生实验动手能力差的 ,理论考试成绩也差。通过虚拟仿真实验，可以突破教学过程中的一系列瓶颈，使教学效果获得更高层次的提升，因此音乐学专业有必要开展虚拟仿真实验教学，但高昂的建设成本使得众多音乐院校无法实施。笔者提出借助计算机音乐系统中的音频工作站和采样音色库来实现虚拟仿真实验教学，并对实验课程和实验项目的建设和开发提出了一些建议，旨在理出音乐学专业开展虚拟仿真实验教学的思路，使课程借助计算机音乐手段通过一定方式的转变形成有效的、可操作的虚拟仿真实验课程。但笔者所谈及的虚拟仿真实验仅局限于有条件的本地实验教学，实现大范围的网络共享还需要工程师们的通力协作。