| 标题 | 基于Android平台的便携式工作记忆训练系统 |
| 范文 | 赵宇飞+禹东川 摘 要： 研究表明，工作记忆在个体认知行为上可起到积极作用。通过工作记忆训练，个体的认知绩效可以得到有效提高。工作记忆是儿童发展的重要指标，因此研发面向儿童的工作记忆训练系统具有重要意义。随着移动终端的普及和便捷性，运用Android和HttpClient等技术设计一款基于Android平台的移动终端应用，可对儿童进行便捷的工作记忆训练，并可对训练过程和数据进行跟踪和查询，为工作记忆训练的运用提供了技术支持，促进工作记忆训练的发展。通过测试，验证了该方案的可行性。 关键词： 工作记忆； 认知训练； Android； 系统设计 中图分类号： TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0045?04 工作记忆是指个体在执行认知任务中，对信息暂时保持与操作的能力[1]。工作记忆与很多高级认知能力如推理、问题解决和学习等密切相关，并为日常生活中的许多重要认知活动提供信息加工的空间，因此被认为是人类认知活动的核心，是进行学习、推理、问题解决活动以及智力活动的必要成分[2?4]。 近来的研究发现，通过对工作记忆进行训练可以提高个体的工作记忆能力[5]。工作记忆成为近年来提升个体认知绩效的一种有效方式[6]。现在国内外已有一些认知训练系统（如以色列CogniFit公司开发的个性化训练系统）涉及到工作记忆训练，但并没有专门针对工作记忆的训练系统。即使有少数工作记忆训练程序（如瑞典卡洛琳那研究所设计开发的Cogmed网站），也只能通过计算机完成，不仅不便携带，对于儿童群体特别是低龄儿童来说，鼠标操作的形式也会使训练难以进行。近些年来，Android平台以其良好的开放性和平台便捷性等特点得到人们青睐，加上Android平板电脑的触摸操作方式简单友好，可以带来很好的用户体验。因此本文基于Android平台设计出便携式工作记忆训练系统，旨在方便的训练个体工作记忆，并能将训练数据上传至数据库。通过大样本量跟踪分析，个性化改善训练任务，更好的用于工作记忆训练的研究和发展。 1 系统分析与设计 1.1 系统架构设计 本系统的总体架构如图1所示，采用C/S三层结构模式，由基础数据层、通信网络层和终端展现层构成[7]。硬件方面由联想公司的“万全R520”服务器和平板电脑组成，开发工具为台式电脑。软件方面考虑到安全性和易用性，选择微软公司的SQLServer数据库管理软件。 图1 系统总体架构 1.2 系统需求分析 本系统基于Android平台的智能终端进行设计和开发，根据工作记忆训练系统的需求分析，本系统需要实现以下功能，系统功能结构如图2所示。 图2 系统功能结构图 （1） 用户注册/登录功能。为保证数据的安全性和用户的数据独立性，需要采用先注册再登录的模式，才能进入系统进行训练； （2） 工作记忆训练功能。根据工作记忆模型设计不同的任务进行训练。不仅要根据训练目标设计训练任务，还应充分利用人机交互和多媒体等技术设计出生动友好、易于操作的各项训练； （3） 数据查询功能。该功能可以获取训练的历史数据，通过历史数据的查询，可清晰地看出个体的训练效果，可采用曲线图和图表等方式予以显示； （4） 数据通信功能。该功能为客户端和服务器端的交互提供支撑。用户登录系统、数据上传和查询功能都需要此模块的后台支撑； （5） 数据库管理功能。本地数据库管理功能是利用Android内嵌SQLite数据库存储管理用户信息及训练数据。服务器端数据库管理功能为获取Android客户端的数据后，需响应客户端发送的各项请求；能存储客户端发来的数据并根据要求查询和修改；保护数据安全，防止恶意攻击。 2 系统实现 随着移动技术的发展和智能手机的普及，Android操作系统以其强大的功能及方便和实用性迅速在各行业推广应用，被称为第一个真正为移动终端开发的完整且开放的移动操作系统[8]。本系统开发平台为Android 2.2版以上。在进行Android应用程序开发时，最基本的是要掌握一些重要组件的定义与属性的设置，如活动（Activity）、服务（Service）、广播接收器（Broadcast Receiver）以及内容提供器（Content Provider）等[9]。软件流程图设计如图3所示。用户通过客户端进行注册，Web服务器对注册信息进行验证，访问后台数据库。用户通过已注册的用户名和密码进行登录，Web服务器对登录信息进行验证。工作记忆训练模块作为本系统的核心模块主要通过Android的Activity类和SurfaceView类实现。数据查询模块可实现历史数据的查询和显示。客户端通过数据通信模块与服务器之间进行通信，获得数据后，以曲线和图表的形式显示在界面上。数据通信模块的实现是客户端利用HTTP协议建立与Web服务的通信连接再收到服务器端发来的JSON序列进行反序列化显示在页面[10]。 图3 系统程序流程图 2.1 用户注册/登录模块 用户通过客户端进行注册的步骤为： （1） 用户填写注册信息，点击“注册”按钮判断密码和确认密码一致，如不相同，则需要提示用户重新输入，否则将注册信息提交给Web服务器； （2） Web服务器对注册信息进行验证，访问后台数据库，若数据库中已经存在相同用户名，则注册失败，否则将注册信息存入后台数据库。验证完成后Web服务器需将注册状态信息封装成JSON数据格式发送回客户端； （3） 客户端解析返回的注册状态信息。若注册成功，则跳转到登录界面，否则返回到注册界面并提示失败原因。 用户通过客户端请求登录的具体步骤是： （1） 用户填写用户名和密码，点击“登录”按钮后，程序判断用户名和密码是否为空，若为空，提示用户重新输入信息，否则将登录信息（用户名和密码）提交给Web服务器； （2） Web服务器对登录信息进行验证，查询后台数据库，验证完成后Web服务器将登录状态信息封装成JSON数据返回至客户端； （3） 客户端解析返回的登录状态信息。若登录成功，则进入主功能界面；登录失败则返回至登录界面，提示失败原因。 2.2 工作记忆训练模块 工作记忆训练模块是整个系统的核心模块，根据Baddeley工作记忆多成分模型设计实现不同的训练任务[11]。工作记忆广度以序列记忆任务训练，数字以不同的方位呈现在平板电脑上，要求顺序或倒序回忆数字的方位。工作记忆刷新以N?back任务训练，依次呈现图形，要求判断每一个出现的图形是否与刚呈现过的前N个图形匹配。复杂工作记忆以找不同任务训练，首先找出三副图片中不同的一副，多次选择过后，再回忆出每次选择的图片的位置。因文章篇幅有限，本文仅以N?back任务来展示。N?back任务为一种连续加工的任务类型，是研究工作记忆最常用的认知实验之一，对其训练可以达到流体智力的提高[12]。其具体操作为参与者浏览逐个呈现的图片，从第N个图片起判断每一个出现的图片是否与前面的倒数第N个图片相匹配。在此模块中，根据注册时训练者的年龄对应完成不同难度的训练任务，如低龄儿童采用one?back任务，随着年龄的增长，N也会相应增加。此方法实现了训练的适应性和软件的个性化，其他训练任务也根据这个原则进行设计及实现，更有效的对不同年龄的人群进行工作记忆训练。 N?back任务的控制由NbackActivity类实现，此类继承自Activity类，是整个任务的入口，同时也接收了用户的年龄变量。重写Activity类的onCreate方法完成窗体显示状态操作，初始化界面进入训练界面。通过对NbacktipsActivity的xml布局文件设计完成说明界面。图形界面的绘制由NbackView类实现。此类继承SurfaceView类并实现SurfaceHolder.Callback接口，通过getHolder（）获得SurfaceHolde对象，再通过addCallback（）添加回调函数lockCanvas（）获得Canvas对象并锁定画布Canvas进行绘画，最后通过unlockCanvasAndPost（）结束锁定画图，并提交改变，将图形显示。通过监听用户点击屏幕，重写onTouchEvent（）方法实现人机间的交互。以下代码为NbackView重写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 数据查询模块 通过SQLiteDatabase的rawQuery（）方法读取SQLite中存储的数据可绘制出用户历史训练数据的表格及其曲线。表格及其曲线的绘制由Canvas类和Paint类实现，以下为此模块实现运用的几个主要方法： 画线：drawLine（float startX，float startY，float stopX，float stopY，Paint paint）； 画点： drawPoint（float x，float y，Paint paint）； 渲染文本：drawText（String text，float x，float y， Paint paint）； 抗锯齿效果：Paint.setAntiAlias（）。 2.4 数据通信模块 用户注册和登录需要与远程服务器进行交互，同时也要把相关数据存入远程数据库并获取所需历史数据，数据通信模块主要为客户端和远程服务器之间的数据通信服务。 为了实现与Web的通信，客户端首先需要利用HTTP协议建立与Web服务的通信连接。Android平台提供了Apache HttpClient接口，为客户端的HTTP编程提供了高效、便捷、功能丰富的工具包支持[13]。此模块中使用POST方式向服务器提交数据。首先对请求体参数（即所要提交的数据）进行封装，再创建一个POST方式的HttpRequest对象，并设置POST方式的请求体。其次创建一个默认的HTTP客户端，并执行该POST方式的HTTP请求。获得服务器的响应码，据此判断服务器是否正确响应。最后获得服务器的响应内容，转换成String字符串进行显示。使用GET方式获取服务器上的数据，方法与POST方式相类似。客户端收到服务器发来的JSON序列后需要将其反序列化为可正常显示的对象，通过JSONArray类和JSONObject类来实现[14?15]。 2.5 数据库管理模块 为方便管理并保证数据的安全可靠，采用了本地数据存储和远程数据库存储2种方式。本地数据库采用了SQLite这种轻量级的小型数据库。SQLite在数据存储、管理、维护等各方面都相当出色，功能十分强大[16]。对于Android平台来说，系统内置了丰富的API来供开发人员操作SQLite，我们可以轻松的完成对数据的存取[17]。以下代码实现了训练模块中N?back任务的数据存储。 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（）； } 远程服务器数据库中主要包括2张表：用户信息数据表以及工作记忆训练信息数据表。 表1 用户信息数据表 3 系统测试 基于Android平台的便携工作记忆训练系统的软件测试主要包括3个方面：功能测试、界面测试、数据项测试。功能测试：测试各个模块及窗口所完成的功能是否准确，操作是否方便，是否能够准确执行。界面测试：界面是否简洁友好并符合需求，各个训练模块的提示语是否清晰明了，功能键是否描述准确。数据项测试：与数据库的连接是否正常，后台数据库的数据存储是否正确，各个模块的数据计算结果是否正确。经过对软件每一模块和单元的测试，验证了功能和界面的有效性和完整性。因论文篇幅有限，这里给出部分系统运行截图，如图4和图5所示，分别为用户登录/注册界面和N?back任务运行界面。经过多次数据传输测试和对后台数据库的数据校验，数据的正确率为100%。通过系统运行测试，验证了此基于Android平台的便携式工作记忆训练系统的可行性。 表2 工作记忆训练信息数据表 图4 用户注册/登录界面 图5 N?back任务运行界面 4 结 语 工作记忆在个体的认知行为中起来了不可替代的作用，与人类智力、学习、推理、创造力等高级认知活动之间存在密切的关系。通过工作记忆训练，儿童的智力水平等方面可以得到有效的提高。本文介绍了基于Android平台的工作记忆训练系统设计和开发，可将智能终端与工作记忆训练有效结合，提供更便捷、更有效的训练手段，对于工作记忆训练具有一定的实用价值和借鉴价值。 参考文献 [1] BADDELEY A D. 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