基于Android平臺(tái)的便攜式工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)

趙宇飛+禹東川

摘 要： 研究表明，工作記憶在個(gè)體認(rèn)知行為上可起到積極作用。通過工作記憶訓(xùn)練，個(gè)體的認(rèn)知績(jī)效可以得到有效提高。工作記憶是兒童發(fā)展的重要指標(biāo)，因此研發(fā)面向兒童的工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)具有重要意義。隨著移動(dòng)終端的普及和便捷性，運(yùn)用Android和HttpClient等技術(shù)設(shè)計(jì)一款基于Android平臺(tái)的移動(dòng)終端應(yīng)用，可對(duì)兒童進(jìn)行便捷的工作記憶訓(xùn)練，并可對(duì)訓(xùn)練過程和數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和查詢，為工作記憶訓(xùn)練的運(yùn)用提供了技術(shù)支持，促進(jìn)工作記憶訓(xùn)練的發(fā)展。通過測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞： 工作記憶； 認(rèn)知訓(xùn)練； Android； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0045?04

工作記憶是指?jìng)€(gè)體在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)中，對(duì)信息暫時(shí)保持與操作的能力[1]。工作記憶與很多高級(jí)認(rèn)知能力如推理、問題解決和學(xué)習(xí)等密切相關(guān)，并為日常生活中的許多重要認(rèn)知活動(dòng)提供信息加工的空間，因此被認(rèn)為是人類認(rèn)知活動(dòng)的核心，是進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、問題解決活動(dòng)以及智力活動(dòng)的必要成分[2?4]。

近來的研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)工作記憶進(jìn)行訓(xùn)練可以提高個(gè)體的工作記憶能力[5]。工作記憶成為近年來提升個(gè)體認(rèn)知績(jī)效的一種有效方式[6]。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已有一些認(rèn)知訓(xùn)練系統(tǒng)（如以色列CogniFit公司開發(fā)的個(gè)性化訓(xùn)練系統(tǒng)）涉及到工作記憶訓(xùn)練，但并沒有專門針對(duì)工作記憶的訓(xùn)練系統(tǒng)。即使有少數(shù)工作記憶訓(xùn)練程序（如瑞典卡洛琳那研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的Cogmed網(wǎng)站），也只能通過計(jì)算機(jī)完成，不僅不便攜帶，對(duì)于兒童群體特別是低齡兒童來說，鼠標(biāo)操作的形式也會(huì)使訓(xùn)練難以進(jìn)行。近些年來，Android平臺(tái)以其良好的開放性和平臺(tái)便捷性等特點(diǎn)得到人們青睞，加上Android平板電腦的觸摸操作方式簡(jiǎn)單友好，可以帶來很好的用戶體驗(yàn)。因此本文基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)出便攜式工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)，旨在方便的訓(xùn)練個(gè)體工作記憶，并能將訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫。通過大樣本量跟蹤分析，個(gè)性化改善訓(xùn)練任務(wù)，更好的用于工作記憶訓(xùn)練的研究和發(fā)展。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，采用C/S三層結(jié)構(gòu)模式，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、通信網(wǎng)絡(luò)層和終端展現(xiàn)層構(gòu)成[7]。硬件方面由聯(lián)想公司的“萬全R520”服務(wù)器和平板電腦組成，開發(fā)工具為臺(tái)式電腦。軟件方面考慮到安全性和易用性，選擇微軟公司的SQLServer數(shù)據(jù)庫管理軟件。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)基于Android平臺(tái)的智能終端進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，根據(jù)工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析，本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1） 用戶注冊(cè)/登錄功能。為保證數(shù)據(jù)的安全性和用戶的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，需要采用先注冊(cè)再登錄的模式，才能進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練；

（2） 工作記憶訓(xùn)練功能。根據(jù)工作記憶模型設(shè)計(jì)不同的任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練。不僅要根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)計(jì)訓(xùn)練任務(wù)，還應(yīng)充分利用人機(jī)交互和多媒體等技術(shù)設(shè)計(jì)出生動(dòng)友好、易于操作的各項(xiàng)訓(xùn)練；

（3） 數(shù)據(jù)查詢功能。該功能可以獲取訓(xùn)練的歷史數(shù)據(jù)，通過歷史數(shù)據(jù)的查詢，可清晰地看出個(gè)體的訓(xùn)練效果，可采用曲線圖和圖表等方式予以顯示；

（4） 數(shù)據(jù)通信功能。該功能為客戶端和服務(wù)器端的交互提供支撐。用戶登錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳和查詢功能都需要此模塊的后臺(tái)支撐；

（5） 數(shù)據(jù)庫管理功能。本地?cái)?shù)據(jù)庫管理功能是利用Android內(nèi)嵌SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理用戶信息及訓(xùn)練數(shù)據(jù)。服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫管理功能為獲取Android客戶端的數(shù)據(jù)后，需響應(yīng)客戶端發(fā)送的各項(xiàng)請(qǐng)求；能存儲(chǔ)客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)并根據(jù)要求查詢和修改；保護(hù)數(shù)據(jù)安全，防止惡意攻擊。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

隨著移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，Android操作系統(tǒng)以其強(qiáng)大的功能及方便和實(shí)用性迅速在各行業(yè)推廣應(yīng)用，被稱為第一個(gè)真正為移動(dòng)終端開發(fā)的完整且開放的移動(dòng)操作系統(tǒng)[8]。本系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為Android 2.2版以上。在進(jìn)行Android應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)，最基本的是要掌握一些重要組件的定義與屬性的設(shè)置，如活動(dòng)（Activity）、服務(wù)（Service）、廣播接收器（Broadcast Receiver）以及內(nèi)容提供器（Content Provider）等[9]。軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖3所示。用戶通過客戶端進(jìn)行注冊(cè)，Web服務(wù)器對(duì)注冊(cè)信息進(jìn)行驗(yàn)證，訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。用戶通過已注冊(cè)的用戶名和密碼進(jìn)行登錄，Web服務(wù)器對(duì)登錄信息進(jìn)行驗(yàn)證。工作記憶訓(xùn)練模塊作為本系統(tǒng)的核心模塊主要通過Android的Activity類和SurfaceView類實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)查詢模塊可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和顯示。客戶端通過數(shù)據(jù)通信模塊與服務(wù)器之間進(jìn)行通信，獲得數(shù)據(jù)后，以曲線和圖表的形式顯示在界面上。數(shù)據(jù)通信模塊的實(shí)現(xiàn)是客戶端利用HTTP協(xié)議建立與Web服務(wù)的通信連接再收到服務(wù)器端發(fā)來的JSON序列進(jìn)行反序列化顯示在頁面[10]。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

2.1 用戶注冊(cè)/登錄模塊

用戶通過客戶端進(jìn)行注冊(cè)的步驟為：

（1） 用戶填寫注冊(cè)信息，點(diǎn)擊“注冊(cè)”按鈕判斷密碼和確認(rèn)密碼一致，如不相同，則需要提示用戶重新輸入，否則將注冊(cè)信息提交給Web服務(wù)器；

（2） Web服務(wù)器對(duì)注冊(cè)信息進(jìn)行驗(yàn)證，訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，若數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在相同用戶名，則注冊(cè)失敗，否則將注冊(cè)信息存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。驗(yàn)證完成后Web服務(wù)器需將注冊(cè)狀態(tài)信息封裝成JSON數(shù)據(jù)格式發(fā)送回客戶端；

（3） 客戶端解析返回的注冊(cè)狀態(tài)信息。若注冊(cè)成功，則跳轉(zhuǎn)到登錄界面，否則返回到注冊(cè)界面并提示失敗原因。

用戶通過客戶端請(qǐng)求登錄的具體步驟是：

（1） 用戶填寫用戶名和密碼，點(diǎn)擊“登錄”按鈕后，程序判斷用戶名和密碼是否為空，若為空，提示用戶重新輸入信息，否則將登錄信息（用戶名和密碼）提交給Web服務(wù)器；

（2） Web服務(wù)器對(duì)登錄信息進(jìn)行驗(yàn)證，查詢后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，驗(yàn)證完成后Web服務(wù)器將登錄狀態(tài)信息封裝成JSON數(shù)據(jù)返回至客戶端；

（3） 客戶端解析返回的登錄狀態(tài)信息。若登錄成功，則進(jìn)入主功能界面；登錄失敗則返回至登錄界面，提示失敗原因。

2.2 工作記憶訓(xùn)練模塊

工作記憶訓(xùn)練模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)Baddeley工作記憶多成分模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同的訓(xùn)練任務(wù)[11]。工作記憶廣度以序列記憶任務(wù)訓(xùn)練，數(shù)字以不同的方位呈現(xiàn)在平板電腦上，要求順序或倒序回憶數(shù)字的方位。工作記憶刷新以N?back任務(wù)訓(xùn)練，依次呈現(xiàn)圖形，要求判斷每一個(gè)出現(xiàn)的圖形是否與剛呈現(xiàn)過的前N個(gè)圖形匹配。復(fù)雜工作記憶以找不同任務(wù)訓(xùn)練，首先找出三副圖片中不同的一副，多次選擇過后，再回憶出每次選擇的圖片的位置。因文章篇幅有限，本文僅以N?back任務(wù)來展示。N?back任務(wù)為一種連續(xù)加工的任務(wù)類型，是研究工作記憶最常用的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)之一，對(duì)其訓(xùn)練可以達(dá)到流體智力的提高[12]。其具體操作為參與者瀏覽逐個(gè)呈現(xiàn)的圖片，從第N個(gè)圖片起判斷每一個(gè)出現(xiàn)的圖片是否與前面的倒數(shù)第N個(gè)圖片相匹配。在此模塊中，根據(jù)注冊(cè)時(shí)訓(xùn)練者的年齡對(duì)應(yīng)完成不同難度的訓(xùn)練任務(wù)，如低齡兒童采用one?back任務(wù)，隨著年齡的增長(zhǎng)，N也會(huì)相應(yīng)增加。此方法實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練的適應(yīng)性和軟件的個(gè)性化，其他訓(xùn)練任務(wù)也根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，更有效的對(duì)不同年齡的人群進(jìn)行工作記憶訓(xùn)練。

N?back任務(wù)的控制由NbackActivity類實(shí)現(xiàn)，此類繼承自Activity類，是整個(gè)任務(wù)的入口，同時(shí)也接收了用戶的年齡變量。重寫Activity類的onCreate方法完成窗體顯示狀態(tài)操作，初始化界面進(jìn)入訓(xùn)練界面。通過對(duì)NbacktipsActivity的xml布局文件設(shè)計(jì)完成說明界面。圖形界面的繪制由NbackView類實(shí)現(xiàn)。此類繼承SurfaceView類并實(shí)現(xiàn)SurfaceHolder.Callback接口，通過getHolder（）獲得SurfaceHolde對(duì)象，再通過addCallback（）添加回調(diào)函數(shù)lockCanvas（）獲得Canvas對(duì)象并鎖定畫布Canvas進(jìn)行繪畫，最后通過unlockCanvasAndPost（）結(jié)束鎖定畫圖，并提交改變，將圖形顯示。通過監(jiān)聽用戶點(diǎn)擊屏幕，重寫onTouchEvent（）方法實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的交互。以下代碼為NbackView重寫surfaceCreated（）方法的主要部分。

public void surfaceCreated（SurfaceHolder holder）

{

Canvas canvas = mSurfaceHolder.lockCanvas（）；

if（mSurfaceHolder==null||canvas==null）

{return；}

Paint paint= new Paint（）；

canvas.drawBitmap（back， 0， 0， paint）；

paint.setTextSize（30）；

paint.setColor（Color.RED）；

play = BitmapFactory.decodeResource（getResources（）， R.drawable.play）；

mSurfaceHolder.unlockCanvasAndPost（canvas）；

touchFlag = true；

}

2.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

通過SQLiteDatabase的rawQuery（）方法讀取SQLite中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可繪制出用戶歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)的表格及其曲線。表格及其曲線的繪制由Canvas類和Paint類實(shí)現(xiàn)，以下為此模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)用的幾個(gè)主要方法：

畫線：drawLine（float startX，float startY，float stopX，float stopY，Paint paint）；

畫點(diǎn)： drawPoint（float x，float y，Paint paint）；

渲染文本：drawText（String text，float x，float y， Paint paint）；

抗鋸齒效果：Paint.setAntiAlias（）。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

用戶注冊(cè)和登錄需要與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行交互，同時(shí)也要把相關(guān)數(shù)據(jù)存入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫并獲取所需歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信模塊主要為客戶端和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)與Web的通信，客戶端首先需要利用HTTP協(xié)議建立與Web服務(wù)的通信連接。Android平臺(tái)提供了Apache HttpClient接口，為客戶端的HTTP編程提供了高效、便捷、功能豐富的工具包支持[13]。此模塊中使用POST方式向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)。首先對(duì)請(qǐng)求體參數(shù)（即所要提交的數(shù)據(jù)）進(jìn)行封裝，再創(chuàng)建一個(gè)POST方式的HttpRequest對(duì)象，并設(shè)置POST方式的請(qǐng)求體。其次創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)的HTTP客戶端，并執(zhí)行該P(yáng)OST方式的HTTP請(qǐng)求。獲得服務(wù)器的響應(yīng)碼，據(jù)此判斷服務(wù)器是否正確響應(yīng)。最后獲得服務(wù)器的響應(yīng)內(nèi)容，轉(zhuǎn)換成String字符串進(jìn)行顯示。使用GET方式獲取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，方法與POST方式相類似。客戶端收到服務(wù)器發(fā)來的JSON序列后需要將其反序列化為可正常顯示的對(duì)象，通過JSONArray類和JSONObject類來實(shí)現(xiàn)[14?15]。

2.5 數(shù)據(jù)庫管理模塊

為方便管理并保證數(shù)據(jù)的安全可靠，采用了本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)2種方式。本地?cái)?shù)據(jù)庫采用了SQLite這種輕量級(jí)的小型數(shù)據(jù)庫。SQLite在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、維護(hù)等各方面都相當(dāng)出色，功能十分強(qiáng)大[16]。對(duì)于Android平臺(tái)來說，系統(tǒng)內(nèi)置了豐富的API來供開發(fā)人員操作SQLite，我們可以輕松的完成對(duì)數(shù)據(jù)的存取[17]。以下代碼實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練模塊中N?back任務(wù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

public void SaveToDb（）

{

File Path = new File（"/sdcard/databasefile"）；

File f = new File（"/sdcard/databasefile/WMDb"）；

if（！Path.exists（））

{ Path.mkdirs（）； }

if（！f.exists（））{

try

{f.createNewFile（）；

}catch（IOException e）

{e.printStackTrace（）；}

} SQLiteDatabase db = SQLiteDatabase.openOrCreate

Database（f， null）；

…

db.insert（"Nback_Info"， null， cv）；

db.close（）； }

遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中主要包括2張表：用戶信息數(shù)據(jù)表以及工作記憶訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)表。

表1 用戶信息數(shù)據(jù)表

3 系統(tǒng)測(cè)試

基于Android平臺(tái)的便攜工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件測(cè)試主要包括3個(gè)方面：功能測(cè)試、界面測(cè)試、數(shù)據(jù)項(xiàng)測(cè)試。功能測(cè)試：測(cè)試各個(gè)模塊及窗口所完成的功能是否準(zhǔn)確，操作是否方便，是否能夠準(zhǔn)確執(zhí)行。界面測(cè)試：界面是否簡(jiǎn)潔友好并符合需求，各個(gè)訓(xùn)練模塊的提示語是否清晰明了，功能鍵是否描述準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)項(xiàng)測(cè)試：與數(shù)據(jù)庫的連接是否正常，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是否正確，各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果是否正確。經(jīng)過對(duì)軟件每一模塊和單元的測(cè)試，驗(yàn)證了功能和界面的有效性和完整性。因論文篇幅有限，這里給出部分系統(tǒng)運(yùn)行截圖，如圖4和圖5所示，分別為用戶登錄/注冊(cè)界面和N?back任務(wù)運(yùn)行界面。經(jīng)過多次數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試和對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)的正確率為100%。通過系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了此基于Android平臺(tái)的便攜式工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)的可行性。

表2 工作記憶訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)表

圖4 用戶注冊(cè)/登錄界面

圖5 N?back任務(wù)運(yùn)行界面

4 結(jié) 語

工作記憶在個(gè)體的認(rèn)知行為中起來了不可替代的作用，與人類智力、學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造力等高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)之間存在密切的關(guān)系。通過工作記憶訓(xùn)練，兒童的智力水平等方面可以得到有效的提高。本文介紹了基于Android平臺(tái)的工作記憶訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，可將智能終端與工作記憶訓(xùn)練有效結(jié)合，提供更便捷、更有效的訓(xùn)練手段，對(duì)于工作記憶訓(xùn)練具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒價(jià)值。

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