趙鵬+++邱飛岳

摘 要：為了能使基于腦可塑性的認(rèn)知訓(xùn)練項目以簡單有效的方式供學(xué)習(xí)者訓(xùn)練，本文利用JavaWeb、Ajax和Flash等信息技術(shù)，設(shè)計與實現(xiàn)了基于腦可塑性的在線認(rèn)知訓(xùn)練游戲平臺。文章首先介紹了腦可塑性的研究及其對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率的促進作用；然后提出當(dāng)前的認(rèn)知訓(xùn)練項目枯燥乏味且沒有一個在線平臺來搭載這些訓(xùn)練項目供學(xué)習(xí)者訓(xùn)練的問題；接著設(shè)計了此平臺的框架并闡述了實現(xiàn)此平臺的關(guān)鍵技術(shù)；最后詳細介紹主要功能模塊的實現(xiàn)方法并提出平臺存在的不足和對其未來的展望。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；認(rèn)知訓(xùn)練；腦可塑性；訓(xùn)練平臺

中圖分類號： 文獻標(biāo)志碼： 文章編號：1673-8454（2014）07-0080-04

一、引言

1.學(xué)習(xí)與大腦之間的關(guān)系

當(dāng)今教育大多數(shù)人都在討論如何將現(xiàn)代化的東西帶入課堂，例如智能手機、多媒體技術(shù)等等，這些成本高昂的手段在一定程度上提高了教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)習(xí)的效率，而往往在很大程度上忽略了一個相對廉價的途徑——認(rèn)知心理學(xué)。相關(guān)研究認(rèn)為可以通過提高記憶力、注意力等來提高學(xué)習(xí)效率。[1]學(xué)習(xí)是極其復(fù)雜的社會文化與生物現(xiàn)象，不僅涉及社會、文化、心理等方面，而且也與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能之間存在著相互作用與影響。[2]從宏觀的角度而言，對于大腦與學(xué)習(xí)之間的關(guān)系存在兩個方面的理解，即大腦是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)是大腦的功能。人的大腦就像其他器官一樣，自然承擔(dān)了各自的功能，而學(xué)習(xí)正是屬于腦的特有功能。[3]

2.腦結(jié)構(gòu)和功能可塑性

腦和神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能均具有高度的可塑性。所謂腦的可塑性，即腦可以被環(huán)境或經(jīng)驗所修飾，具有在外界環(huán)境和經(jīng)驗的作用下不斷塑造其結(jié)構(gòu)和功能的能力。學(xué)習(xí)實際就是腦的可塑性的一種重要表現(xiàn)，或者說如果腦沒有可塑性也就沒有學(xué)習(xí)的可能?！皯?yīng)試教育”長期影響著我國教育，從現(xiàn)代社會的人才要求來看，我們的教育應(yīng)該更多地注意學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)，而科學(xué)素質(zhì)是最重要的一個方面，例如對知識的融會貫通能力、理性思維能力、洞察力以及創(chuàng)新能力等。[4]而這個幾個能力其實也可以概括為注意力、記憶力和創(chuàng)造力這些認(rèn)知能力，提高認(rèn)知能力便可在一定程度上加快大腦的可塑性，也就等于提高了學(xué)習(xí)的效率。

3.當(dāng)前認(rèn)知訓(xùn)練所存在的問題

之前已經(jīng)有大量研究證明，人的認(rèn)知能力是可通過后天的針對性認(rèn)知訓(xùn)練手段得以改變并提高的。然而，先前的訓(xùn)練手段僅供研究或臨床使用，并沒有真正普及到現(xiàn)實社會當(dāng)中，本人認(rèn)為有以下原因：

（1）這些訓(xùn)練項目本身枯燥乏味，學(xué)習(xí)者在訓(xùn)練的過程當(dāng)中很難對其提起興趣，往往一開始因為新鮮能堅持訓(xùn)練，沒多久便慢慢失去興趣，到最后無法達到預(yù)期的訓(xùn)練效果。

（2）沒有一個良好的平臺來搭載這些訓(xùn)練項目，使訓(xùn)練的結(jié)果無法方便地以直觀的方式供被訓(xùn)者查看，從而對訓(xùn)練項目的作用效果失去了信心。

（3）學(xué)習(xí)者在接受訓(xùn)練的時候要么需要到某個特定地點訓(xùn)練，要么需要安裝復(fù)雜的訓(xùn)練環(huán)境，總之都無法方便地接受訓(xùn)練。

而在現(xiàn)在信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，Web技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，筆者旨在搭建一個基于Web的在線認(rèn)知訓(xùn)練游戲平臺，將這些認(rèn)知訓(xùn)練項目以小游戲的方式供人們訓(xùn)練，這樣不僅能使枯燥乏味的訓(xùn)練項目變得簡單有趣，讓學(xué)習(xí)者更容易接受，且被訓(xùn)者可以實時直觀地查看自己的訓(xùn)練進度和訓(xùn)練效果，因為是基于Web，也能到任何一臺有瀏覽器的電腦上接受訓(xùn)練，且不需要安裝訓(xùn)練環(huán)境。國外已經(jīng)有成功的例子，并且也證明了在線訓(xùn)練的有效性。[5]而在國內(nèi)，這樣的平臺尚且不多見，遂筆者以JavaWeb搭載Flash訓(xùn)練游戲的形式，用MyEclipse開發(fā)并實現(xiàn)了該在線訓(xùn)練平臺。使用者通過該平臺堅持訓(xùn)練將增強認(rèn)知能力，提高學(xué)習(xí)效率。

二、系統(tǒng)的總體框架

訓(xùn)練平臺的功能模塊設(shè)計主要包含以下幾個部分。

（1）資源管理模塊：為了達到多樣化的訓(xùn)練，平臺必將搭載大量的訓(xùn)練游戲資源，而且這些資源將會在平臺實施后不斷增加。所以需要實現(xiàn)訓(xùn)練游戲資源的管理模塊來對這些資源進行方便的增加修改和刪除，并且在修改和刪除的過程中要考慮良好的交互性和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)完整性。

（2）訓(xùn)練計劃模塊：不同的使用者在認(rèn)知水平和認(rèn)知結(jié)構(gòu)上都有一定的差異，為了能夠使訓(xùn)練的效果達到最大化，需要根據(jù)不同的使用者的認(rèn)知特點來生成個性化的訓(xùn)練計劃。而且使用者在訓(xùn)練過程中認(rèn)知水平和能力也會有一定的變化，所以平臺也會根據(jù)這些變化實時改變訓(xùn)練計劃。

（3）訓(xùn)練模塊：訓(xùn)練模塊是平臺的核心模塊，此模塊用來呈現(xiàn)訓(xùn)練游戲資源的同時還要將訓(xùn)練結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)提交給服務(wù)器，同時還要將訓(xùn)練結(jié)果和歷史記錄反饋給使用者，例如當(dāng)前訓(xùn)練的結(jié)果和歷史排名情況，甚至可以是與他人的排名情況。這里與他人情況比較的利弊尚且無法討論。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊：使用者按訓(xùn)練計劃訓(xùn)練結(jié)束后，平臺將對使用者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練效果以圖表的方式進行統(tǒng)計，這樣使用者便可在圖表上清楚地看到自己訓(xùn)練的狀況以及認(rèn)知水平和能力的提升狀況。

（5）其他模塊：作為一個在線訓(xùn)練平臺，注冊登錄權(quán)限控制等都是不可缺少的模塊，同時也是web平臺所普遍具有的模塊，所以這里將其歸為其他模塊，同時本文也不詳述此模塊的具體設(shè)計。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.Flash技術(shù)用以設(shè)計游戲

基于web的平臺最后呈現(xiàn)給用戶的必然是HTML這種頁面語言，然而由于HTML語言的功能十分有限，無法方便地用做訓(xùn)練游戲的開發(fā)，雖然HTML5的出現(xiàn)使搭載在頁面上的游戲有良好的運行效率和畫面渲染能力，但是其不成熟的現(xiàn)狀使其必然不能成為開發(fā)本平臺訓(xùn)練游戲的主要技術(shù)。Java Applet比HTML5要成熟得多，且有很多成功的例子，但使用它的前提是用戶端瀏覽器必須安裝近百兆的JVM，顯然也是很多用戶所不愿意的事情。

Flash技術(shù)出自Adobe公司，以其良好的畫面表現(xiàn)力、強大的交互性、直觀簡易的開發(fā)過程、優(yōu)秀的跨平臺能力廣受游戲開發(fā)者的好評。雖然，使用它的前提也需要在用戶端安裝類似虛擬機的Flash Player播放器，但其文件體積遠比Java虛擬機小得多，而且現(xiàn)在大部分的瀏覽器都已內(nèi)置Flash Player。所以，F(xiàn)lash作為在線訓(xùn)練游戲的主要表現(xiàn)形式是最適合不過的了。

2.SSH2作為平臺框架

SSH為Struts+Spring+Hibernate的一個集成框架，是目前較流行的一種JavaWeb開源框架，而SSH2則是Struts2+Spring2+Hibernate3的統(tǒng)稱。集成SSH框架的系統(tǒng)從職責(zé)上分為四層——表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和域模塊層，以幫助開發(fā)人員在短期內(nèi)搭建結(jié)構(gòu)清晰、可復(fù)用性好、維護方便的Web應(yīng)用程序。同時，Hibernate作為框架中的數(shù)據(jù)持久層可以提高操作數(shù)據(jù)庫的效率，提升平臺系統(tǒng)的整體性能。因為，Web系統(tǒng)的主要表現(xiàn)為頁面的跳轉(zhuǎn)和服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存取，而數(shù)據(jù)存取的速度直接決定了頁面的響應(yīng)能力，所以，通過Hibernate的數(shù)據(jù)持久化和Spring的Session管理可以實現(xiàn)平臺超高的響應(yīng)能力。

3.Ajax技術(shù)進行數(shù)據(jù)記錄

Ajax是一種用于創(chuàng)建更好更快以及交互性更強的Web應(yīng)用程序技術(shù)。通過Ajax，我們可以使用JavaScript的XMLHttpRequest對象直接與服務(wù)器進行通信，這樣可以在頁面不重載的情況下與Web服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的交換。例如在本平臺中，使用者在單個訓(xùn)練游戲結(jié)束后需要查看訓(xùn)練結(jié)果，如果在不使用Ajax的情況下我們必須將跳轉(zhuǎn)到一張新的頁面，而這個過程對服務(wù)器也是一個負(fù)擔(dān)，因為服務(wù)器需要生成一張新的頁面來呈現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果。但通過Ajax技術(shù)可以在頁面不刷新或跳轉(zhuǎn)的情況下直接將訓(xùn)練結(jié)果顯示給使用者，這樣既減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，也減少了使用者的等待時間。當(dāng)然，本身Flash需要通過它內(nèi)置的XMLSocket對象與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的交互，畢竟訓(xùn)練結(jié)果是由Flash產(chǎn)生的，但缺點是服務(wù)器的URL一旦寫入Flash后期修改將非常麻煩。但Flash可以調(diào)用承載它的頁面上的JavaScript腳本，即Flash可通過Ajax與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，而這時服務(wù)器的URL是寫在頁面上的，當(dāng)需要更換URL時只需要更改頁面上的URL即可，遠比去修改已編譯好的Flash文件要方便得多。

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四、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.開發(fā)工具

由于本平臺采用的開發(fā)語言框架為SSH2，也就是JavaEE，那么也就決定其開發(fā)工具為MyEclipse。MyEclipse是對EclipseIDE的擴展，利用它我們可以在數(shù)據(jù)庫和JavaEE的開發(fā)、發(fā)布和應(yīng)用程序服務(wù)器的整合方面極大地提高工作效率。到目前為止其最高版本為MyEclipse10.5，而本平臺采用MyEclipse10進行開發(fā)。

2.功能模塊的實現(xiàn)（見圖1）

（1）資源管理模塊

此模塊主要用于管理訓(xùn)練游戲資源，而每個訓(xùn)練游戲都有很多屬性，例如游戲編號、游戲名稱等。此時，需要建立一張數(shù)據(jù)庫表來存儲這些信息，并將游戲編號作為主鍵，同時每個游戲所對應(yīng)的Flash文件都使用其游戲編號作為文件名。而游戲的類別則建立一張游戲類別的表來存儲類別信息，同時將類別編號作為游戲編號的前兩位，在程序中若要知道某個游戲的游戲類別，只要取游戲編號的前兩位并以此作為類別編號去類別表中查詢即可。

在新增游戲資源時需要有一張新增資源的頁面，頁面包括游戲名稱、游戲類別、上傳Flash文件。其中，游戲類別通過下拉框的方式進行選擇，不需要輸入填寫，在填寫所有信息完成后點擊提交按鈕即可。此時服務(wù)器接收所有這些信息，自動生成游戲編號并將游戲類別的編號作為游戲編號的前兩位，最后將所有信息存入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，同時返回訓(xùn)練游戲資源列表。

一是修改訓(xùn)練游戲資源。

在修改訓(xùn)練游戲資源前首先需要查找數(shù)據(jù)庫列出所有訓(xùn)練游戲資源，以訓(xùn)練游戲的封面縮略圖作為顯示項目并以列表的方式進行呈現(xiàn)。同時可以通過選擇不同的游戲類別來篩選訓(xùn)練游戲，從而達到快速找到自己要修改的游戲的目的。找到需要修改的游戲后只要點擊游戲封面的縮略圖即可進入修改界面，因為縮略其實是一個超鏈接，并且以這個游戲的編號作為查詢條件來進入修改界面。進入修改界面后，修改相關(guān)項目并點擊保存按鈕，此時服務(wù)器會接收修改信息并存入數(shù)據(jù)庫，最后返回訓(xùn)練游戲資源列表。

二是刪除訓(xùn)練游戲資源。

當(dāng)有訓(xùn)練游戲資源已經(jīng)過時或者被證明不夠優(yōu)秀時我們需要將其進行刪除，但刪除操作在大多數(shù)系統(tǒng)中都是很復(fù)雜的，因為刪除的資源有可能被其他記錄所依賴，例如訓(xùn)練歷史等，都需要先刪除與之關(guān)聯(lián)的記錄后方可刪除。所以這里的刪除其實并不是真正的將訓(xùn)練游戲資源記錄進行刪除，而是將其標(biāo)志為不可用，這樣既不影響數(shù)據(jù)完整性的同時也達到了刪除的目的。

（2）訓(xùn)練計劃模塊（見圖2）

訓(xùn)練計劃是指一周七天每天所要訓(xùn)練的游戲的一個安排情況，筆者的設(shè)計是一天安排4個訓(xùn)練游戲，而每天訓(xùn)練哪些游戲，或者訓(xùn)練哪種類型的游戲都由一個簡單的隨機機制來實現(xiàn)。這里隨機機制專門由一個類來管理，方便以后對計劃安排算法的優(yōu)化和改進。訓(xùn)練計劃的呈現(xiàn)方式為一張一周的日程表，為了降低服務(wù)器的負(fù)擔(dān)只顯示當(dāng)天的計劃，例如當(dāng)天是周一，那么日程表的表頭中周一為高亮狀態(tài)或選擇狀態(tài)，下面空白處顯示當(dāng)天的訓(xùn)練游戲的縮略圖與標(biāo)題等，使用者可以點擊某個游戲的縮略圖來進入這個游戲的訓(xùn)練，或者點擊“開始訓(xùn)練”按鈕讓系統(tǒng)選擇先訓(xùn)練那個游戲。若某個游戲已訓(xùn)練完成，則將其超鏈接關(guān)掉，并顯示已完成。

訓(xùn)練計劃的實現(xiàn)過程是首先建立一張訓(xùn)練計劃表，以用戶的ID和訓(xùn)練游戲ID作為外鍵，形成多對多的關(guān)系，同時還需要訓(xùn)練的完成時間屬性用來記錄這個計劃什么時候完成。然后在程序當(dāng)中，先根據(jù)用戶ID查找到屬于該用戶的所有計劃，并查看其完成時間，若完成時間為早于當(dāng)天的日期，那么說明該訓(xùn)練計劃為舊的計劃，需要更新；若完成時間等于當(dāng)天的日期但時間為零點整，那么說明該訓(xùn)練計劃為新的計劃且未完成；若完成時間等于當(dāng)天的日期且時間不為零點整，那么說明該訓(xùn)練計劃為新的計劃且已完成。最后根據(jù)判斷該訓(xùn)練計劃的狀態(tài)作相應(yīng)的更新操作即可——舊的計劃則重新隨機生成計劃，新的計劃則不對數(shù)據(jù)庫作任何操作，只是在顯示的時候顯示已完成或未完成。

這里判斷狀態(tài)的機制有一個漏洞，就是當(dāng)系統(tǒng)在前一天更新了計劃，而用戶剛好在第二天的零點整完成訓(xùn)練計劃，這個時候系統(tǒng)就會認(rèn)為這條訓(xùn)練計劃為新的訓(xùn)練計劃造成第二天的這個游戲沒有被替換掉?？紤]這個情況，所以對判斷算法稍加改進，因為根據(jù)表的設(shè)計，那么每個人每天會有4個游戲訓(xùn)練，即從數(shù)據(jù)表的角度看每個人都會有4條訓(xùn)練計劃記錄，所以在判斷狀態(tài)的時候若有一條訓(xùn)練計劃的完成時間被判斷為舊的計劃，那么所有的4條計劃都會被重新生成。這樣便避免了剛才提到的漏洞，因為沒有人能將4個游戲都在同一天的同一時間完成。

（3）訓(xùn)練模塊

在訓(xùn)練計劃頁面中進入訓(xùn)練頁面，這張頁面主要是搭載了Flash播放器并加載Flash游戲，但是不同的瀏覽器加載Flash播放器的方式也不同。所以為了統(tǒng)一起來，使用了SWFObject組件，這個組件事實上是一個JS(JavaScript)文件，它能自動根據(jù)當(dāng)前使用的瀏覽器選擇最合適的加載Flash播放器的方式。使用時先在頁面首部導(dǎo)入SWFObject.js文件，然后填寫好height跟width屬性，并指定一個頁面元素的id，告訴它在什么地方顯示，最后填寫file屬性指定要加載的Flash的文件位置即可。

為了Flash與頁面之間的數(shù)據(jù)交換比較方便，并考慮到后期訓(xùn)練游戲?qū)⒉粩嘣黾拥狡脚_當(dāng)中，而在游戲開發(fā)的過程中可能也不停地維護平臺，例如要增加Flash與頁面之間數(shù)據(jù)交換所需要用到的屬性的增加、更名等，這都會導(dǎo)致相互之間的耦合度太嚴(yán)重，畢竟頁面上的屬性必須與Flash中的屬性名要一致，修改頁面上的屬性的同時之前開發(fā)的所有游戲都要改動，這樣非常費時也費精力。所以介于這個需求，特地開發(fā)了一個介于頁面與Flash游戲之間的框架，這個框架也是用Flash制作，負(fù)責(zé)加載Flash游戲以及參數(shù)的初始化工作，這樣，若頁面上有參數(shù)名有所改動，那么只要更改框架與頁面之間的參數(shù)名，而不需要去修改其他所有游戲，而且大多數(shù)游戲都有的操作（例如幫助、暫停、開始、靜音等）都可以整合到這個框架當(dāng)中，新開發(fā)的游戲只需要專心設(shè)計游戲而不需要重復(fù)設(shè)計這些基本操作。

在訓(xùn)練結(jié)束以后，需要記錄訓(xùn)練的結(jié)果（例如所得的分?jǐn)?shù)、花掉的時間、使用的步數(shù)等）。這個時候就需要使用Ajax技術(shù)來實現(xiàn)這個功能，雖然Flash也有與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換的能力，但是不夠靈活，原因在前面已經(jīng)提到了。讓Flash來調(diào)用頁面上的JS（JavaScript）腳本，再通過腳本以Ajax的方式與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，由于這個過程已經(jīng)寫成函數(shù)，所以游戲開發(fā)者只要在游戲結(jié)束時調(diào)用這個函數(shù)即可，并填寫需要上傳服務(wù)器的參數(shù)值。服務(wù)器接收到游戲結(jié)果數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫并將排名情況等信息發(fā)送回來，頁面將隱藏掉游戲界面并顯示這些信息，而在這個過程中頁面不會刷新，保證了頁面高效的反應(yīng)速度，同時體現(xiàn)了更好的交互性。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊

這里主要是利用了數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)來進行分類統(tǒng)計，并以圖表的方式來進行呈現(xiàn)。為了達到良好的視覺效果，這里使用了JQuery框架來實現(xiàn)一些簡單的緩動效果（例如每個方面的訓(xùn)練狀況都會以橫向柱狀圖來表示，而加載這張頁面的初期柱狀圖會由短到長變化等）。統(tǒng)計的算法是先根據(jù)用戶ID去查找訓(xùn)練歷史記錄表，找到所有關(guān)于這個用戶的歷史記錄，然后根據(jù)不同的訓(xùn)練類型統(tǒng)計分?jǐn)?shù)，將這些分?jǐn)?shù)取最高與最低值并計算出差率，最后以柱狀圖的最高長度為基數(shù)乘以這個差率的百分比算得實際長度并以緩動的形式呈現(xiàn)在頁面上。

五、結(jié)束語

本研究將認(rèn)知訓(xùn)練與信息技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于Web的在線認(rèn)知訓(xùn)練平臺，為學(xué)習(xí)者提供了提高認(rèn)知水平的工具。本研究的創(chuàng)新之處在于將用于臨床的枯燥乏味的腦可塑性認(rèn)知訓(xùn)練項目以簡單有趣的小游戲的方式進行呈現(xiàn)，并用Web平臺搭載，從而使學(xué)習(xí)者進行方便有效的認(rèn)知訓(xùn)練。

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（編輯：王天鵬）

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