基于Android平台的便携式工作记忆训练系统

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. Working memory [J]. Scholarpedia， 2010， 5（2）： 3015⁃3018.

[2] 赵鑫，周仁来.工作记忆：人类高级认知活动的核心[J].北京师范大学学报：社会科学版，2010（5）：38⁃44.

[3] 蔡笑岳，苏静.工作记忆与领域知识在个体认知行为中的作用[J].心理与行为研究，2008（4）：306⁃310.

[4] 黎翠红，何旭，郭春彦，等.工作记忆训练的研究述评[J].心理与行为研究，2014（3）：407⁃412.

[5] 赵鑫，周仁来.工作记忆训练：一个很有价值的研究方向[J].心理科学进展，2010，18（5）：711⁃717.

[6] 仲崇健. 工作记忆与注意的训练对小学生流体智力的影响[D].重庆：西南大学，2011.

[7] 虞开森，骆小龙，余魁，等.基于iphone的防汛掌上通平台设计与应用[J].水利水电科技进展，2010，30（6）：74⁃77

[8] 李宁.Android应用开发实战[M].2版.北京：机械工业出版社，2012.

[9] 张毅.Android软件安全开发研究[J].信息安全与技术，2014（9）：70⁃71.

[10] 龚成莹，邢敬宏，胡银保，等.基于JSON的Android移动终端与PHP及MySQL数据通信[J].工业仪表与自动化装置，2013（1）：63⁃65.

[11] 钟洁.Baddeley工作记忆模型发展的综述[J].湖北经济学院学报：哲学社会科学版，2010，24（4）：136⁃137.

[12] 赵延鑫.n⁃back范式在工作记忆研究中的应用[J].心理医生，2012（7）：64⁃64.

[13] 黄淑静，杨红梅.利用JSON+Web Service实现Android访问远程数据库[J].科技信息，2013（9）：98⁃99.

[14] 邢四为.基于JSON的信息交互系统的研究与实现[D].合肥：安徽大学，2013.

[15] 江燕.基于Android智能终端的远程控制系统[J].电子技术应用，2012（8）：129⁃132.

[16] 倪红军.基于Android系统的数据存储访问机制研究[J].计算机技术与发展，2013，23（6）：90⁃93.

[17] 马获蕾，汤海凤.Android系统中SQLite数据库的研究[J].电脑知识与技术，2013（8）：6243⁃6245.

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