基于Android平臺的便攜式工作記憶訓練系統

趙宇飛+禹東川

摘 要： 研究表明，工作記憶在個體認知行為上可起到積極作用。通過工作記憶訓練，個體的認知績效可以得到有效提高。工作記憶是兒童發展的重要指標，因此研發面向兒童的工作記憶訓練系統具有重要意義。隨著移動終端的普及和便捷性，運用Android和HttpClient等技術設計一款基于Android平臺的移動終端應用，可對兒童進行便捷的工作記憶訓練，并可對訓練過程和數據進行跟蹤和查詢，為工作記憶訓練的運用提供了技術支持，促進工作記憶訓練的發展。通過測試，驗證了該方案的可行性。

關鍵詞： 工作記憶； 認知訓練； Android； 系統設計

中圖分類號： TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0045?04

工作記憶是指個體在執行認知任務中，對信息暫時保持與操作的能力[1]。工作記憶與很多高級認知能力如推理、問題解決和學習等密切相關，并為日常生活中的許多重要認知活動提供信息加工的空間，因此被認為是人類認知活動的核心，是進行學習、推理、問題解決活動以及智力活動的必要成分[2?4]。

近來的研究發現，通過對工作記憶進行訓練可以提高個體的工作記憶能力[5]。工作記憶成為近年來提升個體認知績效的一種有效方式[6]。現在國內外已有一些認知訓練系統（如以色列CogniFit公司開發的個性化訓練系統）涉及到工作記憶訓練，但并沒有專門針對工作記憶的訓練系統。即使有少數工作記憶訓練程序（如瑞典卡洛琳那研究所設計開發的Cogmed網站），也只能通過計算機完成，不僅不便攜帶，對于兒童群體特別是低齡兒童來說，鼠標操作的形式也會使訓練難以進行。近些年來，Android平臺以其良好的開放性和平臺便捷性等特點得到人們青睞，加上Android平板電腦的觸摸操作方式簡單友好，可以帶來很好的用戶體驗。因此本文基于Android平臺設計出便攜式工作記憶訓練系統，旨在方便的訓練個體工作記憶，并能將訓練數據上傳至數據庫。通過大樣本量跟蹤分析，個性化改善訓練任務，更好的用于工作記憶訓練的研究和發展。

1 系統分析與設計

1.1 系統架構設計

本系統的總體架構如圖1所示，采用C/S三層結構模式，由基礎數據層、通信網絡層和終端展現層構成[7]。硬件方面由聯想公司的“萬全R520”服務器和平板電腦組成，開發工具為臺式電腦。軟件方面考慮到安全性和易用性，選擇微軟公司的SQLServer數據庫管理軟件。

圖1 系統總體架構

1.2 系統需求分析

本系統基于Android平臺的智能終端進行設計和開發，根據工作記憶訓練系統的需求分析，本系統需要實現以下功能，系統功能結構如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

（1） 用戶注冊/登錄功能。為保證數據的安全性和用戶的數據獨立性，需要采用先注冊再登錄的模式，才能進入系統進行訓練；

（2） 工作記憶訓練功能。根據工作記憶模型設計不同的任務進行訓練。不僅要根據訓練目標設計訓練任務，還應充分利用人機交互和多媒體等技術設計出生動友好、易于操作的各項訓練；

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

（4） 數據通信功能。該功能為客戶端和服務器端的交互提供支撐。用戶登錄系統、數據上傳和查詢功能都需要此模塊的后臺支撐；

（5） 數據庫管理功能。本地數據庫管理功能是利用Android內嵌SQLite數據庫存儲管理用戶信息及訓練數據。服務器端數據庫管理功能為獲取Android客戶端的數據后，需響應客戶端發送的各項請求；能存儲客戶端發來的數據并根據要求查詢和修改；保護數據安全，防止惡意攻擊。

2 系統實現

隨著移動技術的發展和智能手機的普及，Android操作系統以其強大的功能及方便和實用性迅速在各行業推廣應用，被稱為第一個真正為移動終端開發的完整且開放的移動操作系統[8]。本系統開發平臺為Android 2.2版以上。在進行Android應用程序開發時，最基本的是要掌握一些重要組件的定義與屬性的設置，如活動（Activity）、服務（Service）、廣播接收器（Broadcast Receiver）以及內容提供器（Content Provider）等[9]。軟件流程圖設計如圖3所示。用戶通過客戶端進行注冊，Web服務器對注冊信息進行驗證，訪問后臺數據庫。用戶通過已注冊的用戶名和密碼進行登錄，Web服務器對登錄信息進行驗證。工作記憶訓練模塊作為本系統的核心模塊主要通過Android的Activity類和SurfaceView類實現。數據查詢模塊可實現歷史數據的查詢和顯示。客戶端通過數據通信模塊與服務器之間進行通信，獲得數據后，以曲線和圖表的形式顯示在界面上。數據通信模塊的實現是客戶端利用HTTP協議建立與Web服務的通信連接再收到服務器端發來的JSON序列進行反序列化顯示在頁面[10]。

圖3 系統程序流程圖

2.1 用戶注冊/登錄模塊

用戶通過客戶端進行注冊的步驟為：

（1） 用戶填寫注冊信息，點擊“注冊”按鈕判斷密碼和確認密碼一致，如不相同，則需要提示用戶重新輸入，否則將注冊信息提交給Web服務器；

（2） Web服務器對注冊信息進行驗證，訪問后臺數據庫，若數據庫中已經存在相同用戶名，則注冊失敗，否則將注冊信息存入后臺數據庫。驗證完成后Web服務器需將注冊狀態信息封裝成JSON數據格式發送回客戶端；

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

用戶通過客戶端請求登錄的具體步驟是：

（1） 用戶填寫用戶名和密碼，點擊“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服務器；

（2） Web服務器對登錄信息進行驗證，查詢后臺數據庫，驗證完成后Web服務器將登錄狀態信息封裝成JSON數據返回至客戶端；

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

2.2 工作記憶訓練模塊

工作記憶訓練模塊是整個系統的核心模塊，根據Baddeley工作記憶多成分模型設計實現不同的訓練任務[11]。工作記憶廣度以序列記憶任務訓練，數字以不同的方位呈現在平板電腦上，要求順序或倒序回憶數字的方位。工作記憶刷新以N?back任務訓練，依次呈現圖形，要求判斷每一個出現的圖形是否與剛呈現過的前N個圖形匹配。復雜工作記憶以找不同任務訓練，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任務來展示。N?back任務為一種連續加工的任務類型，是研究工作記憶最常用的認知實驗之一，對其訓練可以達到流體智力的提高[12]。其具體操作為參與者瀏覽逐個呈現的圖片，從第N個圖片起判斷每一個出現的圖片是否與前面的倒數第N個圖片相匹配。在此模塊中，根據注冊時訓練者的年齡對應完成不同難度的訓練任務，如低齡兒童采用one?back任務，隨著年齡的增長，N也會相應增加。此方法實現了訓練的適應性和軟件的個性化，其他訓練任務也根據這個原則進行設計及實現，更有效的對不同年齡的人群進行工作記憶訓練。

N?back任務的控制由NbackActivity類實現，此類繼承自Activity類，是整個任務的入口，同時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操作，初始化界面進入訓練界面。通過對NbacktipsActivity的xml布局文件設計完成說明界面。圖形界面的繪制由NbackView類實現。此類繼承SurfaceView類并實現SurfaceHolder.Callback接口，通過getHolder（）獲得SurfaceHolde對象，再通過addCallback（）添加回調函數lockCanvas（）獲得Canvas對象并鎖定畫布Canvas進行繪畫，最后通過unlockCanvasAndPost（）結束鎖定畫圖，并提交改變，將圖形顯示。通過監聽用戶點擊屏幕，重寫onTouchEvent（）方法實現人機間的交互。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 數據查詢模塊

通過SQLiteDatabase的rawQuery（）方法讀取SQLite中存儲的數據可繪制出用戶歷史訓練數據的表格及其曲線。表格及其曲線的繪制由Canvas類和Paint類實現，以下為此模塊實現運用的幾個主要方法：

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

畫點： 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 數據通信模塊

用戶注冊和登錄需要與遠程服務器進行交互，同時也要把相關數據存入遠程數據庫并獲取所需歷史數據，數據通信模塊主要為客戶端和遠程服務器之間的數據通信服務。

為了實現與Web的通信，客戶端首先需要利用HTTP協議建立與Web服務的通信連接。Android平臺提供了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方式向服務器提交數據。首先對請求體參數（即所要提交的數據）進行封裝，再創建一個POST方式的HttpRequest對象，并設置POST方式的請求體。其次創建一個默認的HTTP客戶端，并執行該POST方式的HTTP請求。獲得服務器的響應碼，據此判斷服務器是否正確響應。最后獲得服務器的響應內容，轉換成String字符串進行顯示。使用GET方式獲取服務器上的數據，方法與POST方式相類似。客戶端收到服務器發來的JSON序列后需要將其反序列化為可正常顯示的對象，通過JSONArray類和JSONObject類來實現[14?15]。

2.5 數據庫管理模塊

為方便管理并保證數據的安全可靠，采用了本地數據存儲和遠程數據庫存儲2種方式。本地數據庫采用了SQLite這種輕量級的小型數據庫。SQLite在數據存儲、管理、維護等各方面都相當出色，功能十分強大[16]。對于Android平臺來說，系統內置了豐富的API來供開發人員操作SQLite，我們可以輕松的完成對數據的存取[17]。以下代碼實現了訓練模塊中N?back任務的數據存儲。

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（）； }

遠程服務器數據庫中主要包括2張表：用戶信息數據表以及工作記憶訓練信息數據表。

表1 用戶信息數據表

3 系統測試

基于Android平臺的便攜工作記憶訓練系統的軟件測試主要包括3個方面：功能測試、界面測試、數據項測試。功能測試：測試各個模塊及窗口所完成的功能是否準確，操作是否方便，是否能夠準確執行。界面測試：界面是否簡潔友好并符合需求，各個訓練模塊的提示語是否清晰明了，功能鍵是否描述準確。數據項測試：與數據庫的連接是否正常，后臺數據庫的數據存儲是否正確，各個模塊的數據計算結果是否正確。經過對軟件每一模塊和單元的測試，驗證了功能和界面的有效性和完整性。因論文篇幅有限，這里給出部分系統運行截圖，如圖4和圖5所示，分別為用戶登錄/注冊界面和N?back任務運行界面。經過多次數據傳輸測試和對后臺數據庫的數據校驗，數據的正確率為100%。通過系統運行測試，驗證了此基于Android平臺的便攜式工作記憶訓練系統的可行性。

表2 工作記憶訓練信息數據表

圖4 用戶注冊/登錄界面

圖5 N?back任務運行界面

4 結 語

工作記憶在個體的認知行為中起來了不可替代的作用，與人類智力、學習、推理、創造力等高級認知活動之間存在密切的關系。通過工作記憶訓練，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平臺的工作記憶訓練系統設計和開發，可將智能終端與工作記憶訓練有效結合，提供更便捷、更有效的訓練手段，對于工作記憶訓練具有一定的實用價值和借鑒價值。

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