淺談體育運動促進兒童學業成就及其作用機制研究進展論文
1 體育運動與兒童的學業成就
檢索體育運動與兒童發展相關研究文獻時，發現以往的文獻會使用不同的概念，如體育運動(physicalactivity)、體育課程(physical education)、鍛煉(exercise)、體育訓練(physical training)、體適能(physical fitness)等，而根據不同的分類標準，可以將運動劃分為短時運動和長時運動，有氧運動和無氧運動，以及由非常小到最大5 種不同強度的運動類型。因此，為了全面地梳理該領域的研究，本文會將含有上述不同概念的研究納入其中。早在古希臘時期，就有研究者認為體育活動與智力之間存在著一定的聯系，但直到1990 年“零點體育課”(Zero Hours PE，被稱為一項最具突破性的體育教學項目)的出現，人們才驚奇地發現心肺訓練有益于兒童的閱讀理解和數學能力。近些年來，國內外涌現出許多關于運動與兒童學業成就關系的研究，下面將按照研究范式來梳理該領域的研究成果。
1.1 相關研究
相關研究是科學理論的前提，很多相關研究發現體育運動與學業成就之間存在著積極的相關，大樣本的研究也使得結果更具普遍性。Dwyer 等對將近8 000 名澳大利亞的兒童(7~15 歲)進行了體適能、心肺功能和一般體育活動的調查，發現這些項目與學業成績之間存在著較小的正相關;Coe 等對1 701 名3、6、9 年級的兒童進行了標準化的現場測驗(Fitnessgram)，結果發現6、9 兩個年級有氧體適能高的兒童數學和社會科學的成績更高;而為了更好地探討體育運動對兒童學業成就的長時效應，有研究者開發了一系列體育項目對兒童進行了長期的追蹤。如Sallis對759 名兒童從幼兒園到小學5 年級進行的追蹤研究，發現長期參與SPARK(Sports-Play-Activerecreation of Kids)運動項目的學生其成績的百分位數下降比那些不參與運動項目的學生少;Pagani 等關注了嬰兒的動作發展，從被試5 個月開始追蹤到了小學2 年級，在嬰兒期進行了父母問卷、兒童動作發展以及教師問卷的調查，發現精細動作的發展能很好地預測2 年級時兒童閱讀、數學能力、一般學業成績及課堂表現，粗大動作則沒有預測力。對于這些兒童來說，更多的體育活動可以減少肥胖癥的形成，且有助于提升他們的精細動作的發展，能夠促進學生的合作、分享和遵從規則等品質，而學生會將這些品質帶入到課堂學習之中。
1.2 實驗研究
最近，越來越多的研究者開始采用隨機對照實驗范式，以便更好地揭示體育運動對兒童學業成績的影響。Mairena 等將21 所幼兒園中第3 年的幼兒隨機分為干預組(1 299 人)和控制組(1 108 人)，采取Movi-Kids 項目進行2 年的干預(包括每周3 次60 min的體育活動，如基本運動游戲、運動場游戲和跳舞等活動)，結果發現參與Movi-Kids 項目的兒童學業成績有顯著提升，運動場上的體育游戲不僅能提升兒童的學業成績，還可以控制兒童的肥胖程度。Ericsson將251 名小學生分為2 個實驗組(152 人)和一個控制組(99 人)，為實驗組兒童增設一門體育課，每周實行兩節額外的體育課教學，3 年干預后發現實驗組的兒童數學、閱讀、寫作的分數顯著高于控制組，同樣的優勢還存在于注意上，但隨著時間推移注意的增強消失;Duncan 和Johnson將小學生分為中、高運動劑量組和休息組，運動組進行20 min 的腳踏車測力運動，發現無論多大的運動強度都能提升兒童的拼讀能力，其中中等強度的運動對閱讀能力的提升更明顯。
但令人遺憾的是，并非所有的實證研究都得出了一致的結論，有的實證研究發現，體育運動并不能提高兒童的學業成就。如Lambournea 等通過對687 名2 年級和3 年級學生的體育活動進行實驗分析，發現體育活動和有氧適能與學生的韋氏成就測驗(WIAT-III)結果不存在顯著性相關。Jaakkola 等年采用自我報告的方法對中學生施測也得到了類似結果。因此從上述研究中發現：
(1)不同學業成就的測量工具導致結果的不同。如大部分沒有結果的研究測量的大多是兒童智力，而發現積極影響的研究測量的是兒童的閱讀、數學能力。
(2)大多體育運動對兒童學業成績產生積極影響的研究都在訓練兒童的體適能而非一般性體育活動，如2004 年美國加州教育部(CDE)的調研結果表明，5、7、9 三個年級兒童的體能標準測試(有氧運動能力、身體成分、力量、靈活性)分數越好，語言和數學能力越強，且Hippel 等對前人研究進行總結，發現體適能更好的`學生力量和靈活性更強。
(3)提高學業成績的關鍵在于如何提高體適能的閾值，使兒童在運動時處于“運動狀態”。在SPARK 項目中，Sallis[8]認為除非花費兩倍的時間在體育課中，讓兒童處于一種更積極的活動狀態，才能讓他們在學習上表現得更好。
(4)在體育運動對兒童的影響上存在一些中介或調節變量使結果發生變化。Pagani 等正是控制了兒童因素(如年紀、性別、兄弟姐妹的數量、父母給兒童讀書的次數等)，以及家庭因素(如父母的社會經濟地位、智力商數和母親抑郁程度等)才得到了體育運動對兒童學業成就的積極作用，同樣Mairena 等除了對兒童進行體育干預外，還對父母、教師和教學環境也進行了一定的干預，如增加父母和教師在項目中的卷入程度及改善孩子的生活方式等。Santiago 等的研究進一步發現，運動對兒童學業成就的影響受到性別的調節，女生花費更多的時間參與運動，她們的數學和閱讀成績就會更好，但運動的這種優勢并不存在于男生身上。可見，體育運動對學業成就的促進作用尚需進一步研究加以驗證。
2 體育運動促進兒童學業成就的機制
體育運動促進兒童學業成就的潛在機制是什么?運動生理學家和運動心理學家從不同的學科角度進行了探討。縱觀以往不同領域的研究，運動促進學業成就的機制包括神經生理機制、認知機制和社會心理機制。這3 種機制之間并非相互排斥的，例如社會心理機制中包含著生理機制。
2.1 神經生理機制
1)大腦結構和功能的改變。
運動改善認知功能的腦可塑性理論指出，體育運動可以通過系統水平、細胞水平、分子水平等多維途徑影響腦的可塑性，而兒童認知的改善可以說是運動所致相關腦區可塑性發展變化的結果。如Chaddock等做了一系列的研究，結果表明大腦的背側紋狀體、海馬區都易受到運動的影響而發生改變，從而提升認知控制能力和記憶力，且體適能高的兒童具有較大的背側紋狀體，健康兒童的海馬區比不夠健康的兒童大了12%。體育運動不僅能夠改變兒童大腦的結構，還能改變大腦的功能，具體表現為相關腦區激活水平和網絡聯結的變化。Davis發現，每周5 次持續15 周的運動干預方案能讓超重兒童雙側前額葉的激活水平提高，而雙側后頂葉的激活水平降低，從而提高兒童的認知控制能力。Chaddock 等使用fMRI 研究發現有氧適能高的兒童，其認知控制能力更高，在完成任務時激活了前額葉和頂葉的腦區。陳愛國等發現，讓兒童進行一次30 min 中等強度的有氧運動，可以使兒童雙側后扣帶回、雙側頂葉中央后回和左側背外側前額葉的ReHo 提高，即運動可以通過增加兒童靜息狀態下腦功能局部的一致性，改善腦的可塑性來提升執行能力。
2)神經遞質。
大腦由1 000 億個不同類型的神經元組成，而這些神經元之間通過傳遞各類化學物質來傳遞信息，其中80%左右的信號都是由谷氨酸鹽(glutamate)和γ-氨基丁酸(GABA)兩種神經遞質傳遞的，前者刺激神經沖動并主導一連串信號的傳導，后者則抑制沖動。而由于神經元的活躍運動，它們之間的聯系會更緊密、吸引力更強，使得谷氨酸鹽在學習過程中成為一個不可或缺的因素，能讓神經元同步連接。人在運動時能增加體內血清素、去甲腎上腺素和多巴胺的水平，這些神經遞質在傳遞思維和情感的過程中，起著非常重要的作用。除了上述的神經遞質，還有一類叫做腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophicfactor，BDNF)，它是一種大腦內合成的蛋白質，主要負責建立和保養神經細胞回路，是大腦的“優質營養肥料”，存在于海馬區，與記憶和學習密切相關。BDNF 是思維、情感和運動之間至關重要的生物學紐帶，不僅可以使得新細胞更快地生成新分支、建立更強的聯系，還可以與突觸上的受體結合釋放電子流，增大電壓后迅速擴大信號強度。根據神經營養因子(BDNF)的假設，個體學習和認知能力的提高源于神經系統內各參數的變化(如毛細血管的增長和密度增大、突觸的聯結等)。動物研究表明，有氧運動訓練能增加源于大腦內部的神經營養因子以及其他的生長因子，而這些因子又能夠增加毛細血管在大腦皮層上的供給量、新神經和突觸，從而使個體在學習和執行任務表現上更加出色。也就是說，運動不僅激勵著我們的身體獲得動力，同樣也激勵著大腦，而在這些神經遞質的共同作用下，運動能為學習做出更好的準備，并促進干細胞的分化，為形象地展現出身體與大腦的聯結，提升記憶和學習能力。
2.2 認知機制——執行功能假設
近年來，有研究者提出了“執行功能假設”，用以解釋運動提升兒童學業成就的潛在機制。該假說認為，有氧運動的影響作用并不是對個體低級水平的知覺，或者自動化的認知過程產生的，而是影響著個體更高級、更復雜的認知能力，即執行功能，使人類表現出適應性、目標導向的行為。執行功能是負責組織和控制目標導向行為的認知過程的總稱，包括復雜的、非自動化的過程，協調著個體在目標導向行為中的低級認知過程。位于前額葉皮層的神經回路對于執行功能是十分重要的，而運動時恰好能激活這個腦區，使得個體在與執行功能相關的任務上取得更好成績。同樣，以兒童為對象的研究也得出了一致的結論，即短時有氧運動對兒童的執行功能有著積極的影響。如有研究者對小學生每天的日常體育活動時間進行研究，發現運動量大的兒童比那些久坐不動的兒童的執行功能發展更好，這可能是由于愛運動的兒童會有更多機會控制他們的活動與行為;體育運動不僅對正常兒童的執行功能有著促進作用，對執行功能異常的兒童也具有改善作用。如通過對患有注意力缺陷的兒童進行運動干預，發現他們在后測的執行功能任務(倫敦塔、數字廣度任務)的表現上得到了顯著改善。同樣，Davis對超重兒童的研究也得出類似的結論。執行功能需要一個較長時間的發展時間表，在青少年時期或成年早期的某個時間點發展成熟，主要包括抑制控制、認知靈活性和工作記憶3 個子成分，對兒童的學業成就有著非常重要的影響。例如，在抑制控制中，需要個體先篩選出不相關的環境信息，推翻優勢反應并停止正在進行的反應，這些能力則是我們注意和動作控制的核心能力;認知靈活性則是指在快速變換的情景下重構知識信息的能力;工作記憶是個體應對學習和認知挑戰時短暫儲存并有效管理信息的能力。因此，執行功能與學習之間的關系非常密切，如果小學生具有良好的執行功能，不僅可以幫助他們有效地計劃、管理、實施多項任務，還能增強他們對社會環境的適應能力，約束自身的行為，遵守社會規范，并促進其學業進步，如有研究發現執行功能好的兒童在數學、英語、寫作和閱讀上表現更加優秀，還有一些干預研究同樣發現增加體育運動對兒童的執行功能和工作記憶有顯著的積極影響，其中Diamond 等還對4~12 歲的兒童進行了各類運動項目的比較，發現武術、瑜伽和有氧運動均能有效地促進兒童執行功能，這些項目都可以融入學校的體育課程之中，以更好地促進學生的學業成就。新近的一項研究直接考察了執行功能的中介效應，結果發現執行功能的確在兒童的體適能與學業成就之間發揮著中介作用。
2.3 社會心理機制——自我效能感理論
班杜拉認為，行為原因的中心機制是自我效能感，它影響著個體的情緒、思維和行為等過程，并由此提出了可應用于不同領域的自我效能理論。運動心理學研究發現，運動對個體的自我概念和自我效能感具有積極的影響效應，可以為那些少有成功經歷的兒童提供重建積極的自我概念的機會。例如，實證研究發現，許多體育運動的方式均與自我效能之間存在著密切聯系，體育活動與自我效能感間存在著最強、最穩定的關聯。呂曉昌等，對5 780 名中小學生進行為期12 周中等強度運動訓練(籃球、健繩操、輪滑)，發現經過訓練后他們的身心健康有顯著提升，體型適中的學生一般性格開朗，也就有著更高的自我效能感，成績也更加優秀，因為他們總是自信地認為自己能夠勝任該做的事。Petty 等針對207 名7~11 歲超重兒童每天的運動劑量進行分組研究，運動組兒童可在每天放學之后隨意選擇跳繩、跑步、籃球、足球等運動項目并在專門的體育場地進行鍛煉，保持運動時心率達到150 b/min 以上(低劑量組為20 min 運動和20 min 安靜活動，如繪畫、紙牌游戲等，高劑量組為40 min 運動)，整個項目持續13 周，發現抑郁癥狀的表現從控制組到低運動劑量組再到高劑量組顯著線性下降，而自我價值感則作為中介變量起作用，即通過運動能讓兒童提升自我價值感從而減輕抑郁癥的表現。最近的一項元分析表明，體育運動對兒童的自我效能有著積極的影響(d=0.16)，會讓兒童對自己體型更加滿意，得到他人更多的稱贊，從而認為自己更具價值和吸引力。有關學習領域的研究中，自我效能感的水平常常可以預測學生的學業成就水平。因而，可以通過運動來提升兒童的自我效能感，從而使其在學業成績上有更加優秀的表現。
3 未來的研究
國民素質是國家綜合國力的重要體現，也是國家社會經濟發展的基礎。體育運動作為一種提高國民素質的有效手段，其重要性亟待普及。目前，國內外大量的實證研究均已證明，中等強度的有氧運動，尤其是需要認知參與的中等強度的有氧運動有利于兒童的認知功能的發展和學業成就的提升。體育運動對兒童心理發展的影響已經取得了一些一致性的結論，但該領域依然存在一些亟待解決的關鍵問題：首先，需要深入考察運動與兒童心理發展的“劑量效應”。目前劑量效應的研究主要包括運動項目、運動強度、持續時間和運動頻率，如探討不同運動類型對兒童學業成績的影響。一些探索性的證據表明，并不是所有類型的運動都可以同等程度地改善兒童的認知發展。近期的一些研究發現，有氧跑步能增加兒童的認知靈活性和創造力，同樣還能顯著提升學習成績，那些接受身體素質訓練的兒童工作記憶的提升更快，而參與瑜伽的兒童注意力和感知覺會得到顯著提升，進行跆拳道訓練的兒童則在抑制控制上發展更好。運動心理學家還在繼續探索運動的類型與兒童認知發展之間的關系，但這個領域還充滿著未知和挑戰，尤其需要對我國傳統的運動項目，對學生認知發展和學業成就的影響進行深入探討。此外，如果運動與其他教育干預方法聯合使用，會更加有效地促進兒童大腦的發展，存在著1+1>2 的效果。因此，未來研究的焦點問題是，結合我國不同年齡階段兒童的身體素質，開發適合我國兒童的體育運動方案。其次，考察人群特征在當中所起的調節作用。就運動本身而言，它對兒童心理發展的影響可能是積極的，也可能是消極的，其效果主要是由運動方案的各構成要素和兒童自身的個體差異所決定。也就是說，如果某一運動項目對兒童身心發展是無效的，則需要思考到底是這個運動項目本身無效，還是由于參與者自身的原因所致。Ellis發現，智商處于低水平的兒童能夠從運動干預中獲益最大;大量體育運動的研究都發現，女生通過運動提升學業成績的效果更加明顯;而從年齡上來說，執行功能的多個方面遵循著不同的發展軌跡，嬰兒出生15 個月左右就能完成復雜一些的工作記憶(如更新和操縱信息)，簡單反應抑制大約發生在1 歲末期，而認知靈活性是最為復雜的執行功能成分，建立在前兩者之上，約2.5 歲兒童才能在不同維度間進行轉換，因此運動對執行功能的影響會隨著年齡的不同而不同。而現在，研究者們還沒有對社會心理或生物因素進行系統的操控，未來的研究需要將這些潛在的心理社會因素對觀測指標的影響分離開，或許可以形成一個運動對認知影響的模型，用于闡釋文獻中的分歧，并鑒別潛藏于運動和認知之間可能的機制。再次，加強對患有認知或行為障礙的兒童的運動干預和治療。例如，對于超重的兒童來說，運動理所當然是其最佳的干預方式。人類已經習慣于規律性的體育運動，肥胖兒童的身體不適、學習困難實際上是因為他們缺乏運動而非自身體重過重，目前大量研究都表明運動可以提升超重兒童的執行功能和學業成就。同樣，國外研究發現體育運動還能改善ADHD 兒童的多動癥狀，減輕或預防兒童一系列的認知或行為障礙，如焦慮、恐懼、抑郁、成癮行為等。運動具有低成本、易開展和無副作用等明顯的優點，未來研究可考慮如何采用運動干預的方式改善或預防兒童的認知或行為障礙。
最后，在研究設計方面需采用縱向設計，以考察運動對兒童發展的長時效應。關于運動與兒童發展的研究設計有兩種，一種是橫斷研究考察短期有氧運動對兒童執行功能的即時效應，另一種是縱向研究考察長期的有氧訓練對兒童執行功能發展的長時效應。我國關于運動與兒童發展的研究，多采用橫斷研究探討運動的即時效應，鮮有研究像芝加哥內珀維爾的“零點體育課”，未來研究可以采用追蹤范式探討運動對兒童發展的長時效應。此外，運動與兒童發展這一研究領域在未來必須考慮多元化的交叉學科的研究，主要包括發展心理學、運動機能學和認知神經科學等學科。未來研究中的多學科取向，可以讓我們清晰地考究有氧運動如何在幾個不同水平上引起有機體的變化，包括大腦結構和功能的變化，以及這些變化又如何影響著個體的認知和行為，讓人類對運動的效應產生一個更廣泛、更深入的理解。
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