基本信息
- 项目名称：
- 一种新型电子古筝及其集体教学系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目采用电子电路技术、微传感器技术及信号与信息处理技术对传统弹拨乐器古筝进行改进，研制出一种既具传统外观风格又有新颖教学功能的电子古筝，系统中加入无线网络技术，设计出弹拨乐器电子辅助教学系统，可改进传统乐器教学一对一指导的教学模式，实现弹拔类乐器教学集体授课。
- 详细介绍：
- 1.项目概述 弹拨乐器(如古筝)是中华民族的一项文化魁宝，也是人们业余生活中喜闻乐见的一种乐器。但是在乐器的学习过程中，却出现诸多问题。一是乐器学习过程中出现的噪声干扰严重影响他人生活；二是乐器教学过程中只能采用一对一的教学模式，教学场地紧张、教学效率低，成本费用高。为了有效地解决传统弹拨乐器中存在的噪声及效率低的问题，进一步发扬传统乐器，本项目研制开发一种新型电子古筝及其集体教学系统。 2.系统组成 该弹拨乐器电子教学系统主要由三大部分组成：电子古筝、无线网络教学终端机和教学辅助学习软件系统。该项目设计时遵循可靠性、可操作性、适用性的原则，在确保信息安全，提高系统的抗干扰能力的同时通讯接口采用新型的USB接口，使得弹拨乐器电子辅助教学系统不需要其他复杂的接口设备就可以直接与计算机通讯，使其有即插即用、方便适用、便于安装的特点。 2.1电子古筝 项目首先研制电子古筝，电子古筝相比于传统的古筝在外形上保持一致,而改变其原有发声结构,采用微型传感器技术实现音源信号电子化。即在研制设计的新型电子古筝的每根琴弦上安装一微型传感器，通过微电子电路处理即可实现对音调高低的控制从而达到与实际乐器相同的音色和音高。 该系统采用德州TI仪器TAS3108专用型音频数字信号处理器。TAS3108 DSP配有专为音频处理进行优化的全套工具，能高效实施专有算法与标准特性，其中包括均衡技术、音色与音量控制等。有关工具基本分为两个部分，一是图形开发环境(GDE)，二是集成开发环境(IDE)。TAS3108音频DSP拥有足够音频处理能力，能帮助音频开发人员完全控制音频处理的设计工作，包括矩阵解码与各种环绕音响方案。音源信号输入到数字音频处理芯片TAS3108中,其数字音频处理芯片内置的8051软处理核参与音频信号的处理任务，控制数字音频处理核和I2C接口之间的数据交换，并实现音频信号数据分析、显示和控制驱动；处理后的音频信号经放大后，传送到学生耳机中，或通过相应的按键控制传送到教师耳机中。 2.2无线网络教学系统组成结构 电子古筝集体教学系统中有一个教师终端机，若干个学生终端机，每个学生终端设置一个地址（可通过外部预留端口进行配置），分配一个私有频道。学生可根据自身情况选择自由练习，同时教师也可以利用教师终端机上的按键和对应学生之间建立通信连接，通过麦克、耳机和乐音传输系统对每个学生进行针对性指导，从而达到独奏、重奏和合奏互不干扰的效果。这样就彻底打破了传统古筝一对一的教学模式，实现音器教学的集体授课，解决相互之间的干扰问题，提高教学效率，降低教学成本，有利于民族乐器古筝的传承发展和人才的培养。 2.3教学辅助学习软件系统 多功能电子教学软件功能的实现主要是运用信号处理领域开发的专用语音芯片，芯片将在特定微小时段内采集到的声音频率（每秒钟25个测试点），与软件中预制的声音频率进行比对、判断、打分，实现定音、拾音、响度判断、音准判别等基本功能。对于达到一定水平的练习者还可以通过软件中预制的较为复杂的乐曲示范逐句逐音进行乐曲练习和技巧性练习。在以上功能使用过程中，我们的软件均可通过语音、图像、打分等助教提示实现与学生的互动交流。兴趣是最好的老师，启发学生的兴趣则是我们不断改进教学软件的目的所在。为了满足初学者的使用习惯，我们通过人性化可视化的学习软件设定初级、高级学习系统，增大了使用者的选择灵活度，帮助初学者尽快掌握音准、音高，降低入门者学习难度。学生可以通过此教学软件降低乐器学习过程中对老师的依赖程度，从而实现早日入门。 3.项目技术关键及创新点 该系统主要由三大部分组成：电子古筝、无线网络教学终端机和教学辅助学习软件系统。其主要技术关键和创新点如下： 3.1技术关键 1)研制小型传感器，将之安装在琴弦，把弹奏出的声音转换成电信号，进而达到控制该乐器响度的效果。通过微电子芯片仿真出与实际乐器相同的音色和音高，即可实现对音调高低的控制。 2)该系统通过外接音频设备把电信号进行放大、发声，使学生能够通过耳机聆听自己的曲子，学生还可以将电信号与学习系统预设语句对比，校准音高与音准。 3)可视化的辅助教学系统，可通过无线网络语音通信终端机来实现。 3.2创新点 1)该新型电子古筝及其集体教学系统改变了传统弹拨乐器依靠空气振动的发声结构，采用电子技术、微型传感器技术、信号与信息处理技术将声音信号转化为电信号，消除乐器弹奏时出现的干扰问题。 2)该弹拨乐器电子教学系统可使学生演奏时乐器几乎不发声，传感器将声音信号转化为电信号，并通过外接音频放大器对电信号进行放大，使学生戴上耳机后可以聆听到自己的曲子，并能够自行对照辅助学习系统中的预设语句，准确定音定调。 3)教师可通过操作无线网络通讯终端机，对每一个学生单独进行指导，实现了乐器授课一对多的教学模式，提高教学效率。 4.系统主要技术指标及参数 1)教学辅助学习软件部分：满足初学者的基础练习； 2)弹拨乐器网络教练室：满足20人同时上课，练习演奏时互不干扰； 3)无线传输距离：30-100米，保证在舞台上移动演奏具有良好的拾音效果。 4)收发频率： 2400 - 2483MHz； 5)通讯频道：20个； 6)支持麦克风和立体声音频两种输入模式，并可以支持不断电在线实时切换； 7)低功耗，输入电压范围宽。 5.应用领域 该项目研制开发的新型电子古筝及其集体教学系统可广泛应用于相关的弹拨乐器如琵琶、柳琴、扬琴等民族乐器。主要适用群体范围有：弹拨乐器初学者入门学习、高校和艺术类学校乐器教学使用、高级专业人员演奏时拓宽音域，彰显乐器表现力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 该系统针对传统弹拨乐器（如古筝）在入门学习阶段存在的声音干扰、入门学习难度大，指法力度难易掌握，以及在教学过程中多采用一对一授课模式，教学效率低等问题，研制出一种新型电子古筝及其集体教学系统。 基本思路： 该作品由电子古筝、无线网络教学终端机和教学辅助学习软件系统组成。电子古筝改变传统古筝依靠空气振动的发声结构，采用电子技术、微型传感器技术、信号与信息处理技术将声信号转化为电信号，实现正常练习时几乎不发声；该电子古筝可通过无线网络教学终端机实现无线组网，与配套的学习软件结合使用，实现一对多的教学模式，解决乐器教学效率低的难题。 创新点： 1.采用电子技术、微型传感器技术、信号与信息处理技术将声信号转化为电信号，消除乐器练习时相互干扰的现象。 2.练习时乐器几乎不发声，传感器将声信号转化为电信号，再经音频放大器放大，学生戴上耳机可聆听自己的曲子。 3.教师可通过操作无线网络终端机实现一对多的教学模式。 技术关键： 1.研制微型传感器，将之安装在琴弦，把弹奏出的声转换成电信号，经电子电路处理、音效合成产生与传统乐器相似的音质音效； 2.外接音频设备将电信号放大，使学生通过耳机聆听自己的曲子； 3.无线网络教学系统，实现一对多的教学模式。 技术指标： 1.传感器：8 *5（mm），噪音小于20分贝； 2.无线有效传输距离：30-100米； 3.通信信道:20个； 4.弹拨乐器网络教练室：可同时满足20人上课，练习演奏时互不干扰。
科学性、先进性
- 本项目采用先进的微电子技术对传统的弹拨乐器进行改革，解决长期困扰弹拨乐器教学中的许多关键问题： 1.该弹拨乐器电子教学系统改变了传统弹拨乐器依靠气流推动空气振动的发声原理，利用传感器将气流振动转变为电信号，减少了练习过程中产生的噪声干扰。 2.利用外接音频设备对电信号进行放大，学生可通过耳机自己聆听，大大减少了传统弹拨乐器练习过程中相互间产生的干扰。 3.教师可以通过操作终端机对每个学生单独进行指导，实现一对多的教学模式，解决了以往因一对一的教学而产生的场地不足、教学费用高等问题。 4.有效地解决现代舞台移动表演问题。通过精心设计，实现了弹拨音乐的无线传输、放大功能，这样就给表演者以极大的舞台灵活性，使现代舞台移动表演问题得到较为满意的解决。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 1.使用者打开电源开关，系统进入正常工作状态。 2.根据功能键选择，进入自主练习和集体教学模式； 3.参照音乐教材，在该产品中预制短乐句，利用比对功能判断初学者模仿的是否准确，并给予指导，从而使学生循序渐进地学习，逐步提高。 技术特点和优势： 本产品采用模块化设计，可进行标准化生产，成本低，使用极为方便。 适应范围及前景预测： 本产品和学习软件可以运用到相关的弹拨乐器如琵琶、柳琴、扬琴等民族乐器中。目前国内外尚无同类产品面市。由于该项目对传统乐器进行了大胆创新，对提高乐器教学效率和质量都有较好的推动作用，该产品面向大众的设计理念及物美价廉的特点符合时代发展趋势，具有较强的竞争力。
同类课题研究水平概述
- 随着社会经济的高速发展，人们对精神生活的要求也愈来愈高，弹拨乐器也成为人们业余生活的选择之一。在传统的弹拨乐器教学过程中主要采用一对一的教学模式，该模式存在效率低，练习时产生噪音相互干扰、自学时出错难以察觉等问题，本系统利用现代微电子技术对传统古筝进行改造而成的微音古筝，在保留传统古筝特色的基础上实现了乐音的有线、无线传输和放大功能，解决了弹奏中产生的噪音问题；同时基于DSP平台，应用微处理器开发的辅助教学系统，解决了传统古筝教学过程中难于上集体课而产生的教学场地紧张、教学效率低等问题，编制出的学习软件给学习者的自学带来很大便利。 日本研制出了电子钢琴，解决了钢琴教学中存在的问题，使多个学生可以在同一个教室上课。我们研制的电子弹拨乐器，就是为了解决弹拨乐器教学效率低和练习场地少的难题。目前，市场上还出现了电子琴、电琵琶等电子乐器，均旨在改善这些弹拨乐器在演奏及教学过程中产生的类似问题。
