趙 鵬 邱飛岳

（浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310023）

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(jī)、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(yàn)所修飾，具有在外界環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)的作用下不斷塑造其結(jié)構(gòu)和功能的能力。學(xué)習(xí)實(shí)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。“應(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(shí)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(shí)社會當(dāng)中，本人認(rèn)為有以下原因：

（1）這些訓(xùn)練項(xiàng)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?yàn)樾迈r能堅(jiān)持訓(xùn)練，沒多久便慢慢失去興趣，到最后無法達(dá)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(xiàng)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(xiàng)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(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)時直觀地查看自己的訓(xùn)練進(jìn)度和訓(xùn)練效果，因?yàn)槭腔赪eb，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(shí)現(xiàn)了該在線訓(xùn)練平臺。使用者通過該平臺堅(jiān)持訓(xùn)練將增強(qiáng)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(jì)主要包含以下幾個部分。

（1）資源管理模塊：為了達(dá)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(shí)施后不斷增加。所以需要實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練游戲資源的管理模塊來對這些資源進(jìn)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(jì)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(dá)到最大化，需要根據(jù)不同的使用者的認(rèn)知特點(diǎn)來生成個性化的訓(xùn)練計(jì)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(shí)時改變訓(xùn)練計(jì)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(jì)模塊：使用者按訓(xùn)練計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.Flash技術(shù)用以設(shè)計(jì)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(yùn)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)。JavaApplet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(qiáng)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(jī)的FlashPlayer播放器，但其文件體積遠(yuǎn)比Java虛擬機(jī)小得多，而且現(xiàn)在大部分的瀏覽器都已內(nèi)置FlashPlayer。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(hù)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?yàn)?，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(shí)現(xiàn)平臺超高的響應(yīng)能力。

3.Ajax技術(shù)進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行通信，這樣可以在頁面不重載的情況下與Web服務(wù)器進(jìn)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?yàn)榉?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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(yuǎn)比去修改已編譯好的Flash文件要方便得多。

圖1 基于Web2.0的認(rèn)知訓(xùn)練游戲平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四、系統(tǒng)實(shí)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(kuò)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(jìn)行開發(fā)。

2.功能模塊的實(shí)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(jìn)行選擇，不需要輸入填寫，在填寫所有信息完成后點(diǎn)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(xiàng)目并以列表的方式進(jìn)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(dá)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(diǎn)擊游戲封面的縮略圖即可進(jìn)入修改界面，因?yàn)榭s略其實(shí)是一個超鏈接，并且以這個游戲的編號作為查詢條件來進(jìn)入修改界面。進(jìn)入修改界面后，修改相關(guān)項(xiàng)目并點(diǎn)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(jìn)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?yàn)閯h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(shí)并不是真正的將訓(xùn)練游戲資源記錄進(jìn)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(dá)到了刪除的目的。

（2）訓(xùn)練計(jì)劃模塊（見圖2）

訓(xùn)練計(jì)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(jì)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(jī)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。這里隨機(jī)機(jī)制專門由一個類來管理，方便以后對計(jì)劃安排算法的優(yōu)化和改進(jìn)。訓(xùn)練計(jì)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(jì)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(diǎn)擊某個游戲的縮略圖來進(jìn)入這個游戲的訓(xùn)練，或者點(diǎn)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(jì)劃的實(shí)現(xiàn)過程是首先建立一張訓(xùn)練計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)劃為舊的計(jì)劃，需要更新；若完成時間等于當(dāng)天的日期但時間為零點(diǎn)整，那么說明該訓(xùn)練計(jì)劃為新的計(jì)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(diǎn)整，那么說明該訓(xùn)練計(jì)劃為新的計(jì)劃且已完成。最后根據(jù)判斷該訓(xùn)練計(jì)劃的狀態(tài)作相應(yīng)的更新操作即可——舊的計(jì)劃則重新隨機(jī)生成計(jì)劃，新的計(jì)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(jī)制有一個漏洞，就是當(dāng)系統(tǒng)在前一天更新了計(jì)劃，而用戶剛好在第二天的零點(diǎn)整完成訓(xùn)練計(jì)劃，這個時候系統(tǒng)就會認(rèn)為這條訓(xùn)練計(jì)劃為新的訓(xùn)練計(jì)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(jìn)，因?yàn)楦鶕?jù)表的設(shè)計(jì)，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(jì)劃記錄，所以在判斷狀態(tài)的時候若有一條訓(xùn)練計(jì)劃的完成時間被判斷為舊的計(jì)劃，那么所有的4條計(jì)劃都會被重新生成。這樣便避免了剛才提到的漏洞，因?yàn)闆]有人能將4個游戲都在同一天的同一時間完成。

圖2 訓(xùn)練計(jì)劃界面

（3）訓(xùn)練模塊

在訓(xùn)練計(jì)劃頁面中進(jìn)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(shí)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(hù)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(fèi)時也費(fèi)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(jì)游戲而不需要重復(fù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這個功能，雖然Flash也有與服務(wù)器進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并以圖表的方式來進(jìn)行呈現(xiàn)。為了達(dá)到良好的視覺效果，這里使用了JQuery框架來實(shí)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(jì)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(jì)分?jǐn)?shù)，將這些分?jǐn)?shù)取最高與最低值并計(jì)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(shí)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(jì)并實(shí)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(xiàng)目以簡單有趣的小游戲的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，并用Web平臺搭載，從而使學(xué)習(xí)者進(jìn)行方便有效的認(rèn)知訓(xùn)練。

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