钢琴智能教育的产品设计研究

摘要：基于人工智能技术的广泛应用，AIOT技术成了智能教育行业的一大发展助力。艺术教育是智能教育发展中的一环，人们往往将钢琴当作启蒙教育的首选乐器。以AIOT技术为基础，以钢琴学习智能化设备为载体，将AIOT技术与5G技术、电子信息技术相融合，设计出一款新形式的钢琴智能教辅产品，提升钢琴智能教辅设备的智能性和系统性，进一步增强人机协作和钢琴演奏的能力。

关键词：人工智能；产品设计；AIOT技术；钢琴教育教育模式随着人工智能技术的发展和互联网移动设备的普及而发生改变。智能教育是现阶段教育发展的重点研究方向，教育部从2017年至2019年先后将“智能教育”写入《新一代人工智能发展规划》《教育信息化2.0行动计划》，2019年3月教育部在北京召开“智能教育战略研究”研讨会，促进人工智能、大数据、物联网等新兴技术支持下的教育模式变革与重构。艺术教育是智能教育全面化实现的一个环节，钢琴教学方法进行多技术结合后相较于传统教育模式发生了变化，市场上出现了越来越多的互联网+钢琴辅助的教学产品。智能产品作为未来智能教育的载体和人机交互窗口，为个性化学习和个别化学习的实现提供了技术保障。通过5G技术、AIOT技术、电子信息技术等多技术融合将为钢琴教学带来新的思维模式和教学方式［1］。

1AIOT技术在钢琴教辅产品中的应用

AIOT技术是构建一种更高级形式的智能化生态体系，以5G技术为基础将AI（人工智能技术）和IOT（物联网）连接起来，成为高宽带、大连接、低延时的一个通道，AIOT技术在实际应用中的落地将AI技术和IOT技术融合把IOT提升到人工智能层次，智能化教育是人工智能技术应用的一种，AIOT可以通过AI和IOT技术的连接把数据、连接、用户、流程、可视化等应用加入智能教育当中。通过人工智能产品与AIOT技术结合创造出更全面、更具有智能化的教育模式，利用AIOT技术让用户、教育方式、教学者之间的联系更紧密，通过AIOT技术实现万物数据化、万物智联化［2］。

AIOT技术系统性智能模型。以AIOT技术为枢纽利用智能化建立一个多元化相互融合的模式，钢琴教辅产品可以通过AIOT技术赋能将该技术运用到产品上让产品变得更加智能化。学习空间呈现出物理空间、社会空间和信息空间三元世界的完美融合，加速走向人机结合的智能样态。基于技术的创新教育既能适应学习者的学习风格和学习能力，也能为学习者的终身学习和发展提供支持。

智能产品的智能化系统借助电子信息技术、AIOT技术等可以实现大规模的个性化学习，采集不同学习者在不同环境下的学习状态和学习程度的数据，根据所采集的数据进行精确地诊断做出相适应的教学干预，从而全面提升学习者的专业能力。学习者通过使用智能产品相对应的功能可以为学习者提供个性化学习相应的技术支持，AIOT技术从智能化产品终端中收集相应的学习数据形成一个AIOT为基础的智能教育生态体系将智能产品、用户、教学者3者相互粘合形成一个智能教育模型，如图1。

2设计应用实例

2.1方案设计

依据上述智能教育模型对钢琴智能辅助学习提出设计方案，随着我国信息技术的飞速发展，智能手机、移动终端等成为人们日常接收信息的主要方式，因此在产品设计过程中考虑其便携性，因此该设计方案主要以“智能设备+APP”相互联动实现，APP主要为用户提供信息可视化和信息接收，方案如图2。使用者通过搭载AIOT技术的智能设备和APP进行学习、练习和系统进行交互，其在练习时所产生的数据会被收集在终端进行分析。每一位的用户具有不同的学习背景，在初次使用时系统会对使用者进行初次数据采集，采集模式主要以测试为主。使用者初次使用时系统会自动与使用者进行交互提问，其含有乐理知识、学习程度、曲谱识别等功能。具有一定学习背景的使用者系统会使用现在钢琴考级所使用的体系进行相对应难度测评，通过测评对使用者提出练习难度建议。对于没有学习背景的使用者系统会根据默认模式从最简单的理论知识和曲目进行引导式的学习和练习。

系统会对每一位用户在学习的相对应阶段进行智能干预。系统将理论知识和曲谱弹奏练习结合避免出现只会弹奏而缺乏理论知识的情况。用户通过不断的学习和练习可以进行相应的自测，使用者在自测通过后开启下一阶段的难度练习。分阶段分难度式的方法可以更合理的帮助用户学习，同时也可避免出现学习时跨难度的混乱现象。5G技术也搭载在设备中，根据5G技术的特点系统能快速采集数据和分析数据，系统采集使用者数据后在终端会根据用户的行为习惯、练习时对某一个曲练习的熟练程度、练习时出现错误的次数、使用者所掌握的乐理知识、使用者的识别曲谱能力等各项在学习和练习时产生的数据进行实时的分析和判断。

对未来的预测，也是大数据的一个重要应用领域，智能系统通过数据可提前对使用者提出相对应的建议并给出可视化数据分析结果，使用者可以根据系统反馈的数据结果情况进行自我调整，同时会将数据结果反馈给教学者，教学者可以根据数据对使用者进行更具针对性的教学［3］。

该方案能够智能调节使用者学习状态，及时反馈使用者的学习情况，能够让使用者快速提升在钢琴学习上的各项能力。

2.2智能设备设计

智能设备以辅助练习和进行部分数据采集为主，智能设备以彩色广角摄像头、单片机、灯头以及电路板为核心部件，智能设备主要有灯光牵引、手势矫正、学习纠错等功能。用户使用时通过蓝牙连接智能设备和APP，使用下载APP的手机或者平板电脑输入想要练习的歌曲，APP数据库会通过蓝牙给单片机里的微型计算机（MCU）信号，MCU给接收信号后将信号进行处理反馈到电路板控制相对应的灯光亮灭，灯在相对应键盘上投射出灯光达到牵引的效果辅助用户练习［4］。设备辅助练习运行原理，如图3。智能设备搭载的彩色摄像头有3个作用：（1） 使用者在不同场景钢琴初次使用设备时，通过设备对钢琴琴键进行识别校对确保牵引灯光能够照射在相应的位置上。（2） 彩色摄像头可以在多种环境中使用。（3） 彩色摄像头可以在用户使用时对用户的练习姿势、根据灯光牵引用按压琴键位置进行捕捉和判断达到学习纠错的效果。

设备外观通过不同形状设计对比试验后采用圆形设计，圆形的周长弧度可以更好地搭载相对应数量的灯头并且周长对应的不同的角度投射出的灯光可以跟琴键的位置更加的贴合。光效作为一种展现产品状态信息的视觉表现手法被广泛运用。设备以灯光牵引为辅助练习的主要方式在设计时将灯光的颜色纳入设计考虑范围。动态的光效能引起高层次的社交与情感反馈。设备在设计时通过对光效进行对比后采用视觉冲击强烈易于辨别的蓝色和红色两种颜色，如图4。由于产品的状态被定义由特定的可识别的配置和特征组成的产品状况属性，因此设备使用蓝色的作为投射牵引灯光，使用红色作为错误提示灯光。方便用户在练习时能清晰观察到练习的对错，同时也方便摄像头进行画面捕捉。设备设计时考虑到每一位使用者的反应速度和对曲目的熟练程度不同，用户可根据自身情况通过定时器效果对灯光投射时间进行控制。

2.3APP方案设计

APP的方案设计主要围绕功能架构进行。曲库板块：收入大量曲目包含考级所需内容、经典的古典乐曲目和现在流行乐曲目。所有类别曲谱以现有的考级体系进行难度分类。使用者需根据自身阶段的难度进行学习和练习，只有用户达到相对应的阶段通过系统测试才能解锁下一阶段的曲目。课程板块内容如下：为使用者提供线上老师教学、理论知识教学、曲谱识别等内容。课程内容为用户提供钢琴专业知识内容教学。工具板块：含有节拍器、和弦和声等内容。工具板块为用户提供乐器演奏的节奏感练习。社区板块：为用户搭建交流平台，用户可分享演奏视频、在线交流学习感受等。排位板块：为用户提供线上排名，不同段位的用户进行演奏比赛进行各段位各地区的排名，通过比赛的形式激发用户的学习兴趣。个人板块：用户可以通过个人板块实时查看自己的练习和学习的数据反馈情况等，可以让用户及时做出相应的调整。良好的反馈设计可以让用户更好地了解到操作的结果与程序当前的状态，减轻用户等待过程中的焦虑，因此APP在登录前的加载页面设计开机动画减少使用者的等待焦虑。APP功能更加完善后，可以让学习变得更趣味化［5］。

3结论

万物互联时代的到来，智能产品会发展得越来越成熟。以搭载AIOT技术的智能教辅产品为基础建立智能教育生态体系，使得钢琴学习更具系统性。使用者通过钢琴教辅设备在人工智能的干预下循序渐进地学习，为教学赋能。该设备可以让学生和老师之间的联系更加紧密。使用者能够在该智能设备上精准掌握自身的学习动态、快速分析学习时产生的问题、及时进行学习修正。此设备能帮助使用者数据化地管理学习资料。就目前而言，这款设备在应用过程中还会存在一些问题，对其使用需合理有效的管理：（1） 此设备只能作为辅助方式为使用者带来便捷的学习方式，不能完全依赖于它进行教育。人工智能尽管会深度学习，具有人所不能达到的知识储备能力、数据分析运算能力，但教学者始终具有对学习者情感判断、情绪排解等能力的不可替代性。（2） 它在智能教学过程中会产生用户的大量数据，对于数据的保密性需要严谨对待防止数据泄漏对使用者造成伤害。（3） 此设备还可以进一步的提升。

参考文献：

［1］顾小清，王超.打开技术创新课堂教学的新窗：刻画AIoT课堂应用场景［J］.现代远程教育研究，2021，33（2）：312.

［2］孙英芳.新媒体生态下的非物质文化遗产传播与文化再生产［J］.新闻爱好者，2020（8）：7880.

［3］霍春晓，侯玉.大数据时代的老年人产品设计研究［J］.包装工程，2019，40（12）：147150.

［4］谭浩，沈婕.基于视觉特征的智能产品光效交互设计研究［J］.包装工程，2019，40（10）：107112.

［5］任英丽，常虹，谷岩帅.基于联合分析法的非遗文化APP界面设计［J］.包装工程，2022，43（6）：150156.DOI：10.19554/j.cnki.10013563.2022.06.020.

作者简介：应云彪，男，浙江临海人，硕士在读，主要研究方向：艺术设计。