疫情下音乐专业课线上教学软件使用研究
2020-12-23
面向信息化时代，5G网络迅速发展，实时音频与高清视频的传输质量大幅度提升，现代科学技术更加广泛地应用于教育教学之中。此次新冠疫情期间，全国教育系统线上教学模式的大面积推广，成为疫情防控期间教育行业快速转型的主要推动力量。
一、现状
伴随科技不断发展，互联网线上多媒体授课技术已广泛应用于教育教学之中，线上与线下教学的创新融合成为未来发展的必然趋势。2020年新冠疫情期间，大规模的线上教育在全国范围得到了广泛的实践和应用，虽无法完全取代线下教学，但其灵活与便利性对教育行业教学模式的完善起到重要的补充作用。
区别于以往艺术类教学的面对面授课，“口传心授”的传统教学模式，线上授课的网络环境和教学方式都有所不同，突破了时间与空间的限制，以此实现教学内容的拓展。通过网络实时传输音视频等新媒体手段，丰富了课堂内容，有效辅助教师开展教学工作。然而，音乐专业类课程因其实操性及声音传输实时性等特点，对授课应用软件及设备提出了更高的要求。目前，使用频率较高的部分线上教学平台，其设备功能尚不能完全满足该类特殊课程的线上教学需要，网络传输速度的稳定性，声音传输的延时、失真及噪音干扰等因素，使得音乐专业类课程线上教学的发展，面临更大的挑战。
二、测试
线上教学软件作为一种典型的音视频同步通信系统，需实现不同时空之间的即时互动和沟通，使图像与声音完美融合，尽可能地模拟还原现实效果，为此，基于音乐专业类课程教学的特殊性，分别选择高音弦乐器小提琴和低音弦乐器低音提琴作为测试对象，选用现阶段国内使用率较高的五款线上教学应用软件：腾讯会议（2.0.0.459）、QQ软件（pc2020）、钉钉（5.1.28.12）、企业微信（3.0.31.2998）和一起练琴（4.5.6¬.456），通过电子设备数据采集，根据各自特点及功能，做出使用分析。
（一）测试使用实验设备
参与本次测试的电子设备及演奏者均置于专业测试环境中，以保障测试结果准确，所用设备及其软件具体如下：
设备 品牌/型号测试主机 P775高性能移动工作站（RME驱动）测试副机 5台清华同方品牌台式电脑声卡 RME Fireface UC监听耳机 铁三角M50传声器 DPA 4006录音笔 SONY D100专业录音笔测距仪 BOSCH激光测距仪内录软件 Virtual Audio Streaming分析软件 GMAS、Sonic Visualiser
（二）测试实施步骤
测试前期准备阶段，连接各项设备，将声卡、传声器与电脑主机连接并调试后，确定支架位置，固定传声器和录音笔放置于演奏员前方一米处，并处在同一位置且指向一致。
测试开始，主机开启需参与测试的五款线上教学应用软件，通过互联网链接至所有副机，均开启语音或视频通话，邀请在安静且封闭房间中的演奏员进行演奏，用SONY D100录音笔录下现场音频的原始波形数据作为标准数据，同时开启副机声音内录软件（Virtual Audio Streaming），通过传声器（DPA 4006）将样本传送至分别装有五款教学应用软件的五台副机中，收集每台副机声音样本并与原始数据样本进行比对分析。
测试后期，特邀请不同音乐专业学科10位专家，分别对原始音频样本与每台副机内录声音样本进行对比，并做出主观评分（满分100分）。
（三）实验数据对比
本次研究共选取两种弦乐器：高音弦乐器小提琴和低音弦乐器低音提琴作为测试对象，通过数个采样音，进行泛音列、频谱以及波形图的数据收集整理，对比分析其不同软件终端的接收效果。
泛音列分析用GMAS 2.0。泛音列是衡量音色音质的一个重要指标，泛音列较多的乐器往往音色的丰满度会更高，反之泛音列越少则代表音越“纯净”，相对单薄。
频谱及其波形图分析用Sonic Visualiser。频谱是声音在可听频率范围内覆盖量的一种直观图，它的覆盖量大小也在很大程度上影响音色的质量。波形图则能很直观地看出音频的完整性，以判断缺失、丢音等现象。
1.小提琴
（1）小提琴谐音数量的测量比较
SONY 小提琴取样音G3①
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 195.60/G3-3/-13.38 第二分音 391.20/G4-4/-0.93第三分音 586.80/D5-2/-7.67 第四分音 784.20/G5+0/-3.19第五分音 979.80/B5-15/2.93 第六分音 1175.40/D6+1/-3.14
①腾讯会议
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 缺失② 第二分音 391.20/G4-4/-0.93第二分音 391.91/G4-1/17.60 第四分音 784.20/G5+0/-3.19第三分音 587.87/D5+1/4.71 第四分音 783.83/G5-1/6.95第五分音 979.78/B5-15/2.66 第六分音 1175.74/D6+1/-0.09
②企业微信
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 缺失 第二分音 392.58/G4+2/9.93第三分音 588.04/D5+2/-2.44 第四分音 783.51/G5-2/2.64第五分音 978.98/B5-16/-1.91 第六分音 1176.09/D6+2/-3.89
③钉钉
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 缺失 第二分音 391.92/G4-1/16.14第三分音 587.89/D5+1/3.62 第四分音 783.85/G5-1/6.07第五分音 979.81/B5-15/-2.30 第六分音 1175.77/D6+1/-10.37
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 195.96/G3+0/-3.97 第二分音 391.91/G4-1/3.75第三分音 587.87/D5+1/0.81 第四分音 783.83/G5-1/7.09第五分音 978.71/B5-16/-1.15 第六分音 1174.66/D6+0/-1.15
⑤一起练琴
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 缺失 第二分音 392.23/G4+1/13.56第三分音 缺失 第四分音 782.91/G5-3/-1.65第五分音 979.79/B5-15/1.63 第六分音
（2）小提琴波形图测量
图示1 为小提琴波形测量图，其中包括：00-SONY、01-腾讯会议、02-企业微信、03-钉钉、04-QQ、05-一起练琴。
图示1
（3）小提琴频谱图测量
（SONY）
（腾讯会议）
（企业微信）
（钉钉）
（QQ）
（一起练琴）
（4）专家对比原始音频与各应用软件内录音频的主观评分
腾讯会议 企业微信 钉钉 QQ 一起练琴专家1 50 75 60 70 80专家2 55 60 62 70 72专家3 60 70 60 65 70专家4 60 70 71 76 92专家5 40 45 40 60 80专家6 73 77 75 79 82专家7 60 70 60 80 90专家8 82 84 85 88 90专家9 65 80 73 85 90专家10 50 80 50 82 89
分别去掉最高和最低得分后每个应用程序评分如下：
腾讯会议 企业微信 钉钉 QQ 一起练琴59 72 63 75 84
（5）分析小节
通过实验测试结果分析得出，“腾讯会议”和“钉钉”在取样音的谐音列中音频丢失次数较多，和弦分音声音能量不均衡，与之相比“QQ”和“企业微信”基本还原了器乐的谐音列且分音较为丰富，同时，“QQ”的波音图还原度最高，音频完整且相对稳定，“一起练琴”虽然高频部分被严重切除，但在中低频的表现上最接近SONY D100的数据，其波形图的完整性也相对最高。另外除“一起练琴”，其他软件在测试过程中，均存在音频丢失、频谱缺失、杂音严重等现象。因此，对于小提琴而言，其传播音质最佳的软件是“一起练琴”。
2.低音提琴
（1）谐音数量的测量比较
SONY 低音贝司取样音 E4③
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 328.39/E4-15/39.71 第二分音 658.58/E5-10/25.42第三分音 986.98/B5-10/34.27 第四分音 1317.17/E6-10/21.76第五分音 1645.56/♯G6-26/17.92
①腾讯会议
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 156.62/♯D3+4/3.46 第二分音 329.90/E4-12/19.19第三分音 990.62/B5-3/0.19 第四分音 1319.52/E6-7/-17.20第五分音 1648.42/♯G6-22/-12.31
②企业微信
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 330.70/E4-3/7.29 第二分音 658.32/E5-11/-14.77第三分音 990.56/B5-3/9.16 第四分音 1316.65/E6-11/-7.36第五分音 1650.42/♯G6-20/0.55
③钉钉
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB） 分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 329.17/E4-11/15.73 第二分音 658.35/E5-11/-0.69第三分音 990.56/B5-3/8.02 第四分音 1319.77/E6-7/-5.05第五分音 1652.02/♯G6-18/-2.62
分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）分音列序号 频率(Hz)/音组/音强（dB）第一分音 329.16/E4-11/9.23 第二分音 缺失第三分音 987.49/B5-9/-0.84 第四分音 1316.65/E6-11/-0.82第五分音 1639.66/♯G6-31/-20.79
⑤一起练琴
丢失④
（2）低音提琴波形图测量
低音提琴波形图比较
（00-SONY，01-腾讯会议，02-企业微信，03-钉钉，04-QQ，05-一起练琴）
（3）低音提琴频谱图测量
（SONY）
（腾讯会议）
（企业微信）
（钉钉）
（QQ）
（一起练琴）
（4）专家对比原始音频与各应用软件内录音频的主观评分：
腾讯会议 企业微信 钉钉 QQ 一起练琴专家1 70 55 50 80 88专家2 75 72 70 65 65专家3 60 60 60 60 80专家4 78 76 74 72 92专家5 60 60 50 50 80专家6 80 78 75 79 83专家7 75 70 70 80 90专家8 82 83 83 85 87专家9 81 78 70 78 84专家10 67 60 50 60 88
分别去掉最高和最低得分后每个应用程序评分如下：
腾讯会议 企业微信 钉钉 QQ 一起练琴73 69 64 71 85
（5）分析小节
通过低音提琴的取样音可以看出，在其低音区时，“腾讯会议”和“QQ”的谐音列表现较接近原始样本；“钉钉”在中音区和高音区的谐音列表现与原始样本较接近。“企业微信”则音频缺失严重。“一起练琴”在波形图表现中完整度最高，频谱带宽至17000Hz，17000Hz以下的频谱则与SONY D100的数据非常接近。反之“企业微信”和“QQ”波形图的丢音现象较多，传播频谱带宽也非常有限。因此，对于低音提琴而言，最佳的线上教学工具为“一起练琴”。
三、总结
伴随5G技术高速发展，互联网以其包容、开放、跨界的颠覆性创新思维，打破常态化教学模式，为线上音乐专业类课程教学提供了更多可能，以新媒体交互性的特点，弥补传统课堂教学模式的局限性，为音乐教育提供多元化的传播途径。现阶段疫情防控成为当前社会生活常态，音乐实操类课程的教学模式面临变革，线上教学成为教学模式多元化发展的必然趋势，线上线下教学模式的创新融合成为信息化时代发展的新标识。本次测评研究，尝试根据不同弦乐器的音域及音频特点，协助教师与学生选择较为合适的线上教学软件。通过测评可见，目前线上教学软件尚处于初级阶段，使用效果尚不能完全满足音乐专业类课程的教学需求。弦乐器演奏的音域、力度以及录音设备都会对线上教学的声音输出产生影响。音频丢失、运行卡顿、声音失真、延时等问题，使得课程质量不甚理想，线上平台教学很大程度上依赖于信息化网络技术的支持，整体仍有较大的改进空间。
注释：
①G3：小字组的“sol”。一般在计算机系统中，C4代表小字一组的中央C，其他以此类推。
②缺失：基频缺失，是一种声学现象，这在一些弹拨乐器中经常存在。不过这里基频缺失的原因可能为这款软件在网络传输中可能过度压缩音频造成基频缺失，听觉上表现为音色的丰满度与厚实感下降。
③E4：小字组的“mi”。
④整个音在波形图上“呈一直线”，即未检测到此音的波形。原因有可能为应用软件在传输过程中对音频造成过度的压缩，或因网络原因造成数据丢包现象。
