基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究.pdf

乐府新声（沈阳音乐学院学报）2 0 2 4年第1期THE NEW VOICE OF YUE-FU(Journal of the Shenyang Conservatory of Music)No.1,2024基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究邵申弘汪洋摘商要本文以虚拟仿真技术为基础，研究乐器结构设计与教学应用。通过分析乐器结构设计原理与技术，以及虚拟仿真技术在教学中的应用，构建一个集课程资源管理、仿真实验设计与实施于一体的教学平台。在实际教学过程中，采用SBL教学法和APR实践体系，以提高学生的学习效果和实践能力，提高音乐教育与科学技术交又融合的质量和效果。【关键词虚拟仿真技术；乐器结构设计；教学应用；SBL教学法；APR实践体系中图分类号：J619文章编号：10 0 1-57 36(2 0 2 4)0 1-0 10 4-6D0I:10.20093/ki.CN21-1080/J.2024.01.012文献标识码：A随着科技的发展和创新，虚拟仿真技术在各个领域得到了广泛应用。在新文科背景下，音乐与科学的交叉融合日益显现其必要性，为音乐教育带来了更广阔的发展空间。然而，传统的教学方法和模式在现代社会中逐渐暴露出局限性，呕须教育改革来满足新时代的需求。在音乐科技教育领域，虚拟现实技术为乐器结构设计与教学提供了新的可能性。乐器的结构设计对音色、音响性能以及演奏性能等方面产生重要影响。因此，研究乐器结构设计原理与技术对提高音乐教育质量具有重要意义。借助虚拟现实技术，可以实现作者简介：邵申弘（19 6 5一），女，沈阳音乐学院音乐科技系教授，硕士研究生导师；汪洋（19 8 1一），男，沈阳音乐学院音乐科技系讲师。基金项目：辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（项目编号：3-310 17 7 0 5）研究成果。1张盖伦：虚拟仿真实验：为现实教学所不能为、不敢为、不好为，科技日报，2 0 2 2 年5月2 6 日第6 版。高效、便捷的教学，为学生提供更丰富的学习体验。因此，本文将研究基于虚拟现实技术的乐器结构设计与教学应用，希望能够为传统教学模式改革提供新的视角和方法。一、国内外研究现状分析自2 0 13年起，教育部开始推动全国高校探索虚拟仿真实验教学资源的建设。到2 0 2 0 年，教育部已认定5118 门课程为首批国家级一流本科课程，其中包括7 2 8 门虚拟仿真实验教学一流课程。1邵申弘汪洋：基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究105虚拟仿真实验在高校的实践教学中起到了重要作用。目前，国内高校的虚拟仿真实验的研究重点集中在虚拟仿真技术在教学中的应用、虚拟仿真技术与教学模式的融合等方面。研究方法主要包括实验研究、案例分析和教学设计。国际关于虚拟仿真技术的研究始于2 0 世纪9 0 年代，研究领域涵盖虚拟仿真技术的基本原理、虚拟仿真技术在教育领域的应用、虚拟仿真技术与教学模式的融合等。1乐器设计主要是在功能设计和形态设计两方面。在国内，对于传统教学与现代技术的结合以及新型教学模式的探讨始于2 1世纪初。2 近年来，关于乐器结构设计教学应用的研究逐渐增多，如由中央音乐学院音乐人工智能与音乐信息科技系与英国伦敦玛丽女王大学艺术媒体技术中心(Queen Mary University of London,Media Art c-hnology，M A T）联合主办的智能化乐器创新设计工作坊，提到了结合数字乐器设计的常用技术；李澜和王吉的高等学校虚拟仿真实验教学现状及趋势研究一文中，讨论了虚拟仿真实验在高校的实践教学中的应用。3我们可以看到，乐器结构设计研究在国内外都取得了一定的成绩，尤其在设计理念、设计方法和实践应用方面。在新时代背景下，艺术学科需要与科技革命和产业变革交叉融合，特别是乐器制作专业，需要利用现代科学技术提升乐器修造技术，以适应新产业、新业态的发展需求。4然而，如何将虚拟仿真技术与乐器结构设计教学相结合，仍然是一个值得深入探讨的课题。二、乐器结构设计原理与技术乐器结构设计原理是一个跨学科的领域，涵盖了声学、力学和材料学等多个方面。设计过程中，我们需要考虑乐器的音高、音量、音色和共1侯慧、朱韶华、张清勇等：国内外高等学校虚拟仿真实验发展综述，电气电子教学学报，2 0 2 2 年第5期。2】孙琦：国内外虚拟仿真教学研究进展与比较分析，江苏科技大学学报（社会科学版），2 0 2 2 年第4期。3李澜、王吉：高等学校虚拟仿真实验教学现状及趋势研究，中国教育技术装备，2 0 2 2 年第19 期。4刘文荣：新文科建设中的乐器修造创新途径与艺科融合，戏剧之家，2 0 2 3年第32 期。振特性等音响参数，以及音乐美学、造型美学、人体美学等审美因素。乐器主要可分为弦鸣、气鸣、膜鸣、体鸣和电子乐器五种类型，每种类型的乐器都有其独特的结构特点和声学原理。如弦鸣乐器通过弦的振动产生声音，气鸣乐器则依赖空气柱的振动。乐器的材料选择对其声学性能也具有重要影响，如木质乐器通常具有较好的共振特性和温暖的音色。现代科技的发展为乐器结构设计提供了更多可能性。计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）等技术已经被广泛应用于乐器设计领域，可以方便地生成和修改乐器结构的三维模型，模拟和分析乐器在各种条件下的声学性能，帮助我们优化乐器的结构。新型的材料科学研究，如碳纤维等轻质高强度材料的应用，可以有效提高乐器的声学性能和耐用性。乐器结构设计还需要关注实际应用中的需求和挑战。在教育领域中，设计者可能需要考虑如何简化乐器的结构，以降低成本和提高易用性；而在专业表演领域，设计师则需要追求更高的声学性能和艺术价值。随着音乐风格的多样化，乐器结构设计也需要不断创新以满足不同音乐类型和表演需求。在实际乐器结构设计过程中，设计师需要与音乐家、教育工作者和其他相关领域的专家紧密合作，以充分了解不同应用场景的需求。学术研究和行业实践之间的交流也有助于推动乐器结构设计领域的发展。设计师可以参加国际乐器设计竞赛、研讨会和展览等活动，以了解行业最新动态和技术发展趋势。三、虚拟仿真教学平台设计与实现（一）教学平台需求分析在设计乐器结构设计与应用研究虚拟仿真教106乐府新声（沈阳音乐学院学报）2 0 2 4年第1期学平台时，首先需要对教学需求进行分析，明确平台的功能模块和技术实现。1基于教改理念和新技术的应用，将虚拟仿真技术引入到乐器结构理论与制作和调修课程的教学中，需重点考虑以下几个方面：1教学功能模块：为了满足教学需求，教学平台应包括教师端、学生端和教学内容三个核心模块。教师端主要负责课程资源管理和教学组织，学生端则提供学习资源和互动功能。教学内容模块则涵盖了乐器设计、结构分解、功能分析、声音特征、材料特征和环境信息等相关知识点。2.VR场景搭建：为了提高教学效果，需要搭建逼真的虚拟仿真场景。场景中应包括环境、人物（教师、学生）以及设备（乐器模型、结构运行、零件数据采集等）。同时，场景中的元素需要具备动作和交互功能，以实现多方面的教学目标。3多渠道人机界面：为了适应不同场景和设备，教学平台需要提供多渠道人机界面。如教师可以通过PC端进行教学管理，学生则可以通过APP端进行学习。此外，平台支持VR交互端，实现沉浸式在线多人交互虚拟仿真的教学。本文通过虚拟仿真技术与实验方法，依据“人机交互”的理念，整合教师端、学生端和教学内容等信息进行数据采集，并运用虚拟仿真技术搭建VR场景，实现“人一机一环境”整体同步、优化的教学模式。这种教学模式有助于提高学生对乐器结构设计原理和技术的理解与应用能力，进而提升整体教学质量。（二）教学平台功能模块设计我们的目标是设计一个综合性的教学平台，它包括课程资源管理、仿真实验设计与实施、教师端、乐器交互模式、移动/PC/VR端接口、模型制作等功能模块。这些模块相互协作，为学生提供丰富、多样的学习资源和交互式教学环境，1李琰、张佳琳、饶星等：基于数字化的高校虚拟仿真实验教学平台建设与实践，实验室研究与探索，2023年第10 期。2曾秋玲：基于Web前端开发技术的课程教学模式创新分析，中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2020年第6 期。3】崔健、喻向天、张赛昆等：基于Blender建模和Unity3D场景构建的PLC虚拟仿真实验教学平台，中国设备工程，2 0 2 3年第2 3期。从而提高学习效果。为了实现这一目标，我们采用了各种先进技术，如数据库管理系统、前端和后端技术、3D图形引擎、物理引擎、数字信号处理技术、VR技术等。同时，我们也关注了各模块的技术难点和实现方法，为后续实施和优化提供了指导和参考。1.课程资源管理课程资源管理旨在实现对学习资源的有效组织和管理，以便用户方便地查找、获取和使用这些资源。这个模块负责管理所有的教学资源，包括乐器结构和材料相关的知识、尺寸数据、名琴图库、制作工艺和维修视频链接等。它应该提供一个直观易用的用户界面，让教师能够方便地上传、修改和删除教学资源。应用技术包括数据库管理系统和前端开发技术，如HTML、C SS和JavaScript。2 技术难点主要包括保证数据的安全性和隐私性、提供高效的搜索和推荐算法，以方便用户查找相关资源。2.仿真实验设计仿真实验设计与实施的目标是提供一个虚拟环境，让学生能够亲身体验和实践，提高学习效果。这个模块应该包括一个虚拟实验室，让学生能够在虚拟环境中进行实验。此外，还应该提供一些工具，如数据分析工具，帮助学生理解和分析实验结果。应用技术包括3D图形引擎和物理引擎。为实现这一目标，采用3D图形引擎（如Unity或UnrealEngine）构建虚拟环境，实现模型染和操作，利用物理引擎进行仿真实验。3 技术难点主要包括高性能的实时染和物理计算、保证仿真实验的真实性和准确性，以及设计直观易用的交互界面。3.教师端和学生端教师端的设计目标是为教师提供一个便捷的课程管理和教学辅助工具。这个工具能够使教师邵申弘汪洋：基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究107更轻松地进行课程管理和教学活动，从而提高教学效率并减轻教师的工作负担。教师端不仅提供了传统的课程管理功能，还使教师能够实时了解学生的学习情况，以便及时调整教学策略。学生端则是为学生提供一系列学习、浏览和互动的功能。如学生可以查看课程内容、进行仿真实验等。应用技术包括前端开发技术和后端开发技术，如PHP和Java。技术难点在于如何实现教师端与学生端的数据同步和实时互动。4.乐器交互模式乐器交互模式的目标是提供一个交互式环境，让学生在虚拟环境中体验乐器。为实现这一目标，采用数字信号处理（DSP）技术实现乐器声音的合成，3D图形引擎实现乐器模型的染和操作，以及物理引擎进行交互。11技术难点主要包括实现真实的乐器结构模型（可完全拆解、组装）、声音合成、并提供自然、直观的交互方式，如触摸、手势等。5.移动/PC/VR端接口移动/PC/VR端接口的设计目标是实现教学平台在不同设备上的无缝切换和使用。为实现这一目标，我们采用了响应式设计，使用户界面能够自动适应不同设备的屏幕大小和分辨率。同时，我们也利用了平台相关的SDK和API，以实现设备特性的调用，如触摸屏操作、运动传感器、虚拟现实设备等。技术难点主要包括实现跨平台的兼容性和性能优化、提供统一的用户体验和交互设计。如我们需要确保教学平台在不同操作系统、浏览器和硬件配置下都能正常运行，并且运行效率满足要求。6.模型制作与管理模型制作的目标是为平台提供真实、精细的乐器模型，提高学生的学习兴趣。这个模块负责管理所有的乐器模型，包括模型的上传、下载、修改和删除等功能。为实现这一目标，采用3D建模软件（如Blender、3d s M a x 等）制作乐器模型（如钢琴、小提琴、古琴和单簧管等），使用贴图和材质实现模型的表面细节。技术难点主要在于如何管理和存储大量的3D模型数据，包括提高模型的真实性和细节表现（如现代钢琴零部件约8 0 0 0 一12 0 0 0 个）、优化模型的性能（如击弦机模型传动功能），并保证在不同设备上的染效果。7.评价与优化评价与优化的目标是通过对教学平台功能模块的实际应用进行评价，从而找出需要改进和优化的地方，提高平台的整体教学效果。为实现这一目标，首先设计和实施教学实验，收集学生和教师的使用反馈。接下来对收集到的数据进行分析，找出平台的优势和不足。最后根据分析结果，对功能模块进行改进和优化。技术难点主要包括设计有效的评价方法和指标，确保评价结果的准确性和可靠性，以及平衡不同用户群体的需求，实现功能模块的普适性和针对性。（三）教学平台技术实现教学平台的技术实现主要包括软件及硬件环境、系统架构与设计、仿真模型构建及验证。在实际开发过程中，需要根据需求分析和功能模块设计来选择合适的技术方案。1.实验室设备与设施实验室设备和设施包括半消声室、数据采集与分析工作室、声音采集与分析设备、高性能计算机、显示设备、输入设备、传感器设备、虚拟仿真设备以及研究用乐器等。这些设备和设施为乐器声音数据采集和虚拟仿真技术提供了必要的硬件支持，同时需要根据具体的应用场景和需求进行选择和配置。2.软件及系统虚拟仿真技术所用到的软件及系统包括3dsMax、Su b s t a n c e Pa i n t e r、ZBr u s h、U n i t y 3D 引擎以及基于CentOS 的管理平台。这些软件和系统为乐器声音数据采集和虚拟仿真技术提供了必要的软1李佳耕、付晓东：中国传统打击乐器演奏虚拟现实交互系统的研究一一以编钟为例，演艺科技，2022年第2 期。108乐府新声（沈阳音乐学院学报）2 0 2 4年第1期件支持。同时，还需要考虑软件和系统之间的兼容性和稳定性，以确保虚拟仿真技术的有效性和可靠性。在实际应用中，首先使用3dsMax创建乐器的基础模型，并实现1:1的还原乐器结构以及制作机械运动动画。接下来，利用SubstancePainter软件绘制模型纹理，使模型表面具有与真实乐器相似的纹理。然后，使用ZBrush软件修改模型面的排布方式，处理模型细节，并与3ds Max相互配合，修剪模型表面，优化模型结构。最后，将模型导入到Unity3D引擎中，实现模型展示和交互，并基于该引擎生成跨平台的软件安装包，满足PC及移动端的学习需求。3.系统架构与设计在系统架构与设计阶段，需要根据需求分析和功能模块设计来构建教学平台。首先，设计一个合理的数据库结构，以实现数据存储和管理的需求。接下来，采用前端技术如HTML5、C SS3和JavaScript，后端技术如PHP和Java，以及数据库管理系统如MySQL，实现教学平台的各个模块功能。同时，为了实现跨平台的兼容性，可以利用Unity3D引擎和相关的框架技术。4.仿真模型构建在仿真模型的构建过程中，我们首先对乐器进行实物测绘，获取其精确的尺寸和结构信息。然后，运用计算机辅助设计技术进行3D建模，创建乐器的基础模型。接下来，进行纹理贴图和烘焙，使模型表面具有与真实乐器相似的纹理和细节。最后，构建可交互的仿真模型，并将其置入我们搭建的虚拟环境空间中。在声音方面，我们首先进行音频采样。我们使用真实的乐器在半消声室进行声音采集，获取其原始的声音数据。然后，进行后期合成，处理和优化采集到的声音数据。最后，将合成的声音应用在仿真模型的交互上，使模型在被操作时能够发出与真实乐器相似的声音。在未来的扩展上，我们计划引入有限元分析（FEA）和计算流体动力学（CFD）等技术，以进一步提高仿真模型的真实性和准确性。但是，这部分工作目前还在规划中，尚未开始实施。为了确保教学平台的有效性和实用性，需要对其进行严格的测试和验证，包括功能测试、性能测试、兼容性测试以及用户体验测试等。功能测试主要检查平台的各个功能模块是否正常运行，性能测试则关注平台在不同设备和网络环境下的运行效率。兼容性测试检查平台在不同操作系统、浏览器和硬件配置下的表现，而用户体验测试则关注平台的易用性、交互性和美观性等方面。通过这些测试和验证，可以确保教学平台在实际应用中能够满足教育教学的需求。四、教学平台应用与方法（一）SBL教学法和APR实践体系SBL（Si mu l a t i o n Ba s e d Le a r n i n g，基于仿真的学习）1l 与 APR（A c k n o w l e d g e-Pr a c t i c e-R e s e a r c h,理论认知一实践操作一科学研究）是一种结合现代教育理念与技术手段的教学方法。这种教学方法通过模拟真实环境，使学生在一个沉浸式的学习环境中进行实践操作，从而提高学生的学习效果和实践能力。1.SBL教学法的特点（1）提供真实的环境模拟：可以模拟现实世界中的各种环境和情境，使学生在一个接近真实的环境中进行学习和实践操作。（2）安全性和节省成本：让学生在一个虚拟的环境中进行实践操作，无须担心会在现实中造成损害，同时节省了实际操作中可能产生的成本。（3）可重复性与反馈机制：学生可以在虚拟环境中多次进行实践操作，提高技能水平。同时，教学系统可以实时地为学生提供反馈，帮助他们发现问题并改进。1 Mrrtal Saurabh;Durak Umut:Oren Tuncer(EDS.),Guide to simulation-based disciplines:advancing our computationalfuture,Springer Publishing Company,New York,NY,2017.邵申弘汪洋：基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究1092.APR实践体系的特点（1）理论认知（Acknowledge）：学生在此阶段需要掌握相关的基础知识和理论，为后续的实践操作打下坚实的基础。（2）实践操作（Practice）：在掌握理论知识的基础上，学生通过SBL教学法进行实践操作，将理论知识应用到实际操作中，提高实践能力。（3）科学研究（Research）：学生在实践操作的基础上，进行深入的科学研究，探讨问题的原因和解决方案，从而提高创新能力和解决问题的能力。结合SBL教学法和APR实践体系，可以帮助学生更好地理解和掌握知识，提高实践操作能力和创新研究能力。这种教学方法在诸如工程、医学、音乐等领域具有广泛的应用价值和推广潜力。（二）教学平台在课程与实践中的应用1.课程教学教学平台作为辅助工具，可以帮助学生更深入地理解乐器的结构特性、材料属性和发声原理等知识。在乐器制作、修理修复、调律调整和音乐声学等相关课程中，教师可以根据课程内容，设计出各种实验和实践任务，让学生在虚拟的环境中进行操作，从而提高学习效果。这种教学方式不仅提高了学生的学习兴趣，也使他们能够在实践中掌握理论知识。2.实验与实践平台提供了丰富的实验与实践资源，如实验室设备、仪器和各种虚拟仿真乐器模型等。学生可以在实验室进行乐器结构和声音数据的采集与分析，利用虚拟仿真系统进行乐器声音的建模与仿真，以及在虚拟环境中进行乐器的交互与调试。这些活动可以培养学生的实际操作能力，同时可以提高他们的创新思维和解决问题能力。3.课程设计与毕业设计平台为学生的课程设计和毕业设计提供了技术支持和资源保障。学生可以根据自己的兴趣和特长，在乐器工艺和虚拟仿真技术领域开展相关研究，如乐器结构设计、乐器声音优化设计、乐器声学特性分析与评价等。教师可以提供专业指导和技术支持，帮助学生开展独立或合作性的研究。这种方式可以提高学生的研究能力，也为他们的未来职业生涯打下坚实的基础。4.专业技能培训与竞赛平台为学生提供专业技能培训和竞赛的场地与设备。学生可以参加乐器结构设计、声音数据采集、虚拟仿真技术、音乐制作等方面的技能培训和竞赛活动，以提高自已的专业素养和竞争力。在提高学生专业技能的同时，也增强了他们的团队合作精神和竞争意识。结语本文研究了基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用，构建了一个集课程资源管理、仿真实验设计与实施于一体的教学平台。在教学过程中，我们采用了SBL教学法和APR实践体系，这些方法可以有效提高学生的学习效果和实践能力。乐器结构设计与应用和虚拟仿真技术教学平台作为一个结合现代科技手段的教学工具，为音乐科技教育领域带来了新的教学方法和资源。然而，教学平台的推广与应用还需克服一些挑战，如设备成本高、技术更新迅速、教师技能培训等。面对这些挑战，学校和教育部门可以采取积极措施，如加大投入、完善培训体系、鼓励教师与学生参与平台开发和改进等，以促进音乐科技和虚拟仿真技术教学平台的普及和发展。总的来说，基于虚拟仿真技术的乐器结构设计与教学应用研究具有较高的理论和实践价值。希望未来能在此基础上不断完善和发展，为音乐科技教育教学贡献更多力量。