曾侯乙编钟演奏与创编虚拟仿真实验设计与实现

李洪亮，杨和平

（浙江师范大学音乐学院，浙江金华 321004）

0 引言

2017年7 月，为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》和《2017 年教育信息化工作要点》等相关要求，教育部决定开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作［1］。2018 年6 月，为学习贯彻党的十九大精神，适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，教育部决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作［2］。2019 年11月，为着力解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，教育部决定将国家虚拟仿真实验教学项目纳入“双万计划”国家级一流本科课程，国家虚拟仿真实验教学一流课程［3］，以进一步深化和推动虚拟仿真实验教学工作。建设至今，全国已认定的“国家虚拟仿真实验教学一流课程”项目共700 余个，覆盖了41 个专业类，168 个专业［4］。相关课程在实际教学中，尤其是在新冠肺炎疫情防控期间的教学中发挥了重要作用［5］。

曾侯乙编钟是我国历史上出土数量最多、重量最重、音律最全、气势最宏伟的一套编钟［6］，是我国十二乐音体系中最早具有半音音阶关系并且十二个半音齐备的一套完整特大型定调乐器［7］。它的出土，标志着我国的民族音乐早在2 000 多年前己达到相当高的水平，也标志着我国的冶金学、铸造学以及乐律学等学科早在2 000 多年前已位居世界前列［8］。曾侯乙编钟音色优美、音域宽广、音列充实［9］，其煌煌巨制和优越性能，在世界乐器史上独树一帜，被国际学人誉为“世界第八大奇迹”［10］。曾侯乙编钟既是中国音乐史相关课程的重点教学内容［11］，也是中国文化史相关课程的重要知识点，更是传承和弘扬中华礼乐文明的重要器物［12］。然而，曾侯乙编钟是国宝级文物，作为“镇馆之宝”常年典藏在湖北省博物馆［13］，受其唯一性、易损性以及实验空间等制约，现场实验教学难以开展。

为解决曾侯乙编钟现场实验教学难以开展的问题，项目组以“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”［14］为建设标准，以国家虚拟仿真实验教学项目的“8 个新时代的教学特征”［15］为设计目标，开发了一个可以进行理论学习、音名认知、乐曲演奏和音乐创编的曾侯乙编钟虚拟仿真实验，补齐了曾侯乙编钟现场实验教学不可及的短板。

1 实验系统设计

1.1 整体设计思路

（1）知识、技能、素质有机融合。该实验在设有基础认知（知识）和演奏实践（技能）模块的基础上，还增设了可用于培养综合音乐素质的综合创编模块（素质）。知识-技能-素质，三层递进、三位融合，不仅可以教授理论知识，培养演奏技能，还能进行音乐创编，有助于培养学生的综合音乐素养。

（2）理论联系实践并注重创新。基础认知模块由理论认知和钟音认知两个子模块构成，用于基础理论知识教学；演奏实践模块由独奏和合奏2 个子模块构成，用于演奏技能训练；综合创编模块由独奏创编、合奏创编、乐谱创编3 个子模块构成，用于创编（创新）能力培养。

（3）增加学习挑战，科学“增负”。设计研究性、创新性、综合性内容，加大学生的学习投入，科学“增负”，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战［16］。设计一个可以培养学生“综合音乐素养”的实验模块（综合创编模块），促使学生进行研究性、创新性、综合性学习，从而实现科学“增负”。

（4）教学与技术的深度融合。该实验系统基于分布式系统Java语言开发，采用OpenGL技术渲染，应用TCP／IP协议通信，通过大数据、人工智能等现代信息技术进行实验过程采集、实验信息分析、实验成绩计算和实验结果反馈。通过以上先进技术的应用，不仅增强了实验场景的仿真度和实验结果的可靠性，还增加了实验课程的智慧性和趣味性。

1.2 实验模块设计

该实验以基础认知（基础知识教学）-演奏实践（演奏技能训练）-综合创编（创新能力培养）三层递进、三位融合的思路导向进行模块设计，学习内容由浅至深，学习目标由低到高。基础认知模块为演奏实践模块的学习提供必要的基础知识，演奏实践模块为综合创编模块的学习提供必要的演奏技能，综合创编模块在对基础知识和演奏技能进行进一步巩固和深化的基础上实现音乐作品的创编——创编能力培养。如图1 所示。

图1 三层递进、三位融合模块设计示意图

（1）基础认知模块。基础认知模块由理论认知和钟音认知子模块构成，主要用于学生的基础知识教学。理论认知子模块包含曾侯乙编钟简介、外观及构造解析、钟名及音响认知和音位及奏法解析四个知识点，主要用于曾侯乙编钟的基础理论知识教学。钟音认知子模块是一个进行“钟-音”认知训练的教学子系统，主要用于钟-音的认知教学。

（2）演奏实践模块。演奏实践模块由独奏和合奏子模块构成，主要用于学生的演奏技能训练。独奏子模块可进行演奏的乐曲由《欢乐颂》《茉莉花》和《我和你》，合奏子模块可进行演奏的乐曲为《竹枝词》。独奏子模块用于学生的独奏技能训练，合奏子模块则用于学生的合奏技能训练。

（3）综合创编模块。综合创编模块由独奏创编、合奏创编和乐谱创编子模块构成，主要用于学生的创编能力培养。独奏创编子模块适合擅长器乐独奏的学生进行创编实验，合奏创编子模块适合擅长器乐合奏的学生进行创编实验，乐谱创编子模块则适合作曲专业及及其他作曲理论知识比较扎实的学生进行创编实验。

1.3 实验考核设计

该实验的实验考核以客观考核为主，主观考核为辅。客观考核主要侧重对于理论知识以及音乐的基本要素（音高、速度、力度）的考核，主观考核则侧重对于创编音乐作品的艺术效果的主观评价。客观考核占83分，其中理论认知15 分，钟音认知20 分，演奏实践30 分，综合创编18 分。主观考核占17 分。演奏实践模块为“二选一”考核模块，即学生只需选择独奏或合奏子模块进行考核；综合创编模块为“三选一”考核模块，即学生只需选择独奏创编或合奏创编或乐谱创编子模块进行考核。具体赋分如表1 所示。

表1 实验考核赋分表

2 实验流程与操作步骤

2.1 整体实验流程

该实验从基础认知模块开始学习，在掌握基础认识模块相关知识的基础上进行演奏实践模块的学习，在掌握演奏实践模块相关技能的基础上再进行综合创编模块的学习。3 个模块都以先练习（学习）再考核的顺序进行，考核完成后再依次进行成绩上传（客观分）、作品互评、分数回传（主观分）和实验报告撰写。具体流程如图2 所示。

图2 实验流程示意图

2.2 具体操作步骤

2.2.1 基础认知模块

（1）理论认知子模块。登录理论认知学习场景。依次学习曾侯乙编钟简介、外观及构造解析、钟名及音响认知和音位及奏法解析四个知识点（见图3）。学习完成后登录理论考核场景，依次答题，完成后点击“提交”按钮，系统呈现理论认知考核结果，如图4 所示。

图3 理论认知学习界面

图4 理论认知考核界面

（2）中音认知子模块。登录钟音认知实验场景。点击“开始”按钮后系统随即呈现目标音名，鼠标演奏目标音名的对应编钟（音位）。若演奏正确，系统会显示正确音名、“√”和得分，并随机呈现下一个音名；若演奏错误，系统则显示错误音名和“×”，并一直保持原目标音名不动，直至演奏正确音名（见图5）。满分或倒计时归零时认知实验结束，系统公布考核结果，如图6 所示。

图5 钟音认知演奏界面

图6 钟音认知考核结果

2.2.2 演奏实践模块

（1）乐曲独奏子模块。登录乐曲独奏实验场景。①选择演奏曲目，聆听示范音频，熟悉乐曲谱例；②点击“开始”按钮并登录独奏编钟设计场景，根据预设计划，依次将独奏所需的编钟从右侧的编钟钟架上拖拽至左侧的独奏编钟钟架上；③点击“开始”演奏按钮，听着伴奏、看着谱例，以“左手键盘控制演奏力度，右手鼠标控制演奏速度和音高”的方式进行乐曲独奏（见图7）。独奏结束，系统公布演奏结果并呈现提醒信息，如音高、节奏和力度的错误或偏离度等，如图8所示。

图7 乐曲独奏演奏界面

图8 独奏结果及提醒信息

（2）乐曲合奏子模块。登录乐曲合奏实验场景。①聆听示范音频，熟悉乐曲谱例；②点击“+”键创建合奏房间，输入房间名；③合奏成员各自选择自己的演奏组别，并通过聊天工具确认各合奏成员是否就位；④各合奏成员各自登入自己的演奏场景，点击“开始”演奏按钮，听着伴奏、看着谱例，以“左手键盘控制演奏力度，右手鼠标控制演奏速度和音高”的方式进行乐曲合奏（见图9）。合奏结束，系统公布演奏结果并呈现提醒信息，如音高、节奏和力度的错误或偏离度等，如图10 所示。

图9 乐曲合奏演奏界面

图10 合奏结果及提醒信息

2.2.3 综合创编模块

（1）独奏创编。登录独奏创编实验场景。①设置预创编音乐的节拍，调整预创编音乐的速度；②查看创编“须知”，调整编钟大小、方位。③点击“开始”创编按钮，听着节拍音响，以“左手键盘控制演奏力度，右手鼠标控制演奏速度和音高”的方式将想要创编的音乐独奏至独奏创编子模块中（见图11）。创编完成，系统生成客观成绩和作品音频（可以直接试听，也导出音频文件后试听）；若对创编作品不满意，可以点击“重新创编”，若对创编作品满意，则点击“上传”，将创编的作品上传至“作品互评”系统。

图11 独奏创编演奏界面

（2）合奏创编。登录合奏创编实验场景。①点击“+”键创建合奏创编房间，输入房间名；②通过聊天工具确认各合奏创编成员是否就位，就位后登入创编组，并按预设方案选择各自的创编乐器；③点击“准备”按钮，各合奏创编成员各自登入自己的创编场景，查看创编“须知”，调整乐器大小与方位；④点击“开始创编”按钮，倒计时结束后各自以“左手键盘控制演奏力度，右手鼠标控制演奏速度和音高”的方式将想要创编的音乐合奏至合奏创编子模块中（见图12）。创编完成，系统随即生成客观成绩和作品音频（可以直接试听，也导出音频文件后试听）；若对创编作品不满意，可以点击“重新创编”，学生若对创编作品满意，则点击“上传”，将创编的作品上传至“作品互评”系统。

图12 合奏创编演奏界面

（3）乐谱创编。登录乐谱创编实验场景，查看创编须知，设置预创编音乐的节拍和速度，点击“+”或“-”添加或删减小节。①输入音符。选上需要创编的音符并移至谱面，确定输入位置后点击鼠标左键输入创编音符，如图13 所示。②修改音符。选上正确的音符，移至错误音符附近（错误音符变成红色），点击鼠标左键删除错误音符，再次点击左键输入正确音符，如图14 所示。③试听音频。直接点击悬浮窗上的“播放”键试听音频，或点击悬浮窗上的“导出音频”键，导出为音频后通过视听软件试听音频，如图15 所示。④查看乐谱。拖拽谱表底部的“横条”查看乐谱，或点击悬浮窗上的“导出乐谱”键，导出为图片后通过视图软件查看乐谱，如图16 所示。⑤上传音频。试听或查看乐谱后，若对创编作品不满意，可以重新创编；若对创编作品满意，则点击悬浮窗上的“上传”按钮，将创编的作品上传至“作品互评”系统。

图13 输入创编音符界面

图14 修改创编音符界面

图15 导出音频试听

图16 导出图片查看

3 教学成效与特色

3.1 实验成效

该实验自2019 年上线以来，已为多所高校的音乐学、音乐表演专业学生提供了10 余个批次的共享服务。截止2021 年底，仅在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上的共享人数达3 800 余人，具体应用情况见表2。

表2 曾侯乙编钟演奏与创编虚拟仿真实验应用情况

3.2 实验特色

（1）实践实训、创编创新，有助于培养学生的实践能力和创新精神。该实验的演奏实践模块设有独奏和合奏子模块，不仅可以训练学生的独奏能力，还可以训练学生的合奏能力。该实验的综合创编模块设有独奏创编、合奏创编和乐谱创编子模块，学生可以根据自身的专业、偏好或特长等选择一种最适合自己的创编方式进行音乐创编。演奏实践模块有助于培养学生的实践能力，综合创编模块有助于培养学生的创新精神。

（2）协同交互、合奏合创，有助于培养学生的团队协作能力和合作精神。该实验不仅可以进行“单人人机”交互（演奏、创编），如奏独、独奏创编；还可以进行“多人人机”的协同交互（演奏、创编），如“云”合奏、“云”合奏创编。“多人人机”协同交互（演奏、创编），不仅有助于培养学生的团队协作能力，而且有助于培养学生的团队合作精神。

（3）智能计算、客观评价，有助于提升实验教学的智能性和准确性。该实验不仅可以对学生的学习信息进行智能采集、挖掘和分析，而且可以通过基于大数据的物理引擎建立的多种数学模型对学生的学习成绩进行智能计算并生成客观成绩。如独奏子模块，实验系统不仅可以对学生的演奏数据进行智能采集、挖掘和分析，而且可以通过物理引擎建立的数学模型对学生的演奏结果（音高、节奏、力度）进行智能计算并生成客观成绩。

（4）“迭代”验证、进阶优化，有助于提高学生的音乐创编质量。该实验以：设计（编辑／演奏）-验证（试听）-优化设计（再次编辑／演奏）-再验证（再试听）-再优化设计（再次编辑／演奏）-再验证（再试听）……的“迭代”循环的模式进行设计。学生在实验过程中可以不断的学习、不断的优化设计——进阶优化，直至创编出理想的音乐作品。

（5）礼乐传承、乐教育人，有助于传承和弘扬中国的礼乐文化。曾侯乙编钟是中国礼乐文化的代表性器物，将其纳入实验教学，不仅可以增强传统音乐理论课程的实验性和实效性，而且有助于传承和弘扬中国的礼乐文化。

4 结语

随着信息技术的发展，虚拟仿真实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段［17］。它不仅为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源，也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力［18］。曾侯乙编钟演奏与创编虚拟仿真实验通过一套虚拟的三维曾侯乙编钟（模型）以及与之出土时代（战国）相符的虚拟演奏场景开展实验教学，学生在该实验中不仅可以学习知识、训练技能，还能创编创新，实现了综合音乐素质的培养。该实验身临其境、声情并茂，不仅具有较高沉浸感和良好的交互性，而且趣味、友好、灵活、自主，不仅可以拓宽传统音乐教学的广度和深度，延伸学生的学习时间和学习空间，激发学生的学习兴趣和学习潜能，而且还可以培养学生的协同交互能力和合作创新精神。