有氧体能对儿童的认知影响及其教学启示

蒋长好 安楠 刘耕 王永健

摘 要：有氧体能是心肺系统消耗和使用氧气的最大能力[1]，它可以借助长期的、有计划的锻炼得到提高。已有研究发现，有氧体能与儿童的认知和脑健康有着积极的关联。如国外研究者对儿童体能和认知功能、学业成就的关系分析发现，32项研究中的30项都证实了有氧体能和认知、学习的积极关联[2]。此外，也有许多研究发现有氧体能和儿童的大脑结构与功能的关联。回顾和梳理相关研究成果，对体育教学实践活动的开展不无裨益。

关键词：有氧体能；体育教学；儿童发展

中图分类号：G804.7文献标识码：A收稿日期：2018-09-19

一、有氧体能对认知的影响

有氧体能与儿童的认知特别是执行功能的关系是近些年研究的热点。执行功能是一种高级的认知功能，它参与学习、推理、问题解决等活动，包含抑制、冲突控制和工作记忆等多个部分[3]。研究发现儿童有氧体能和多种认知控制功能的联系。如一项研究将48名平均年龄为10岁左右的儿童分为高有氧体能组和低有氧体能组，采用执行控制任务考察他们的冲突控制。结果表明，高有氧体能儿童解决冲突控制任务时，反应精确性更高，反应时间的变异性更弱，提示认知控制能力更强[4]。也有研究发现有氧体能与工作记忆的关联。研究者将儿童分为高体能和低体能两个组，要求他们连续两天参加实验，在第一天他们将学习虚拟地图的地区名，24小时后要求他们回忆自己学过的不一样的信息。研究表明，第一天两个组都记住了学过的不一样的信息。然而24小时后，高体能组的儿童比低体能组儿童学习新鲜事物的能力更强，表明高体能组儿童的记忆更好[5]。

对于身体过重和智力迟缓儿童的研究也有类似的结果。一项研究将94位平均年龄为9岁的身体超重儿童随机分配至高有氧锻炼组、低有氧锻炼组或控制组中，高、低有氧锻炼组均参与为期15周、每周5天的锻炼，其中高有氧锻炼组每天锻炼40分钟，低有氧锻炼组每天锻炼20分钟，控制组不参加锻炼干预。研究发现，与低有氧锻炼组和控制组相比，高有氧锻炼组的锻炼干预对执行控制功能有着显著的积极影响，然而对非执行控制功能的影响较小[6]。另一项研究根据最大摄氧量将智力迟缓儿童区分为高、中、低有氧体能组，让被试者完成20～30分钟中等强度的公路自行车运动，并分别在运动结束后即刻、结束后5分钟，以及结束后15分钟的时间点做数学计算能力的测试。结果发现短时身体锻炼对数学计算能力具有促进作用。同时，有氧体能和锻炼时间也会影响短时身体锻炼后数学计算能力的表现[7]。

总之，对正常儿童和特殊儿童的研究都发现，有氧体能水平较高的儿童一般有更好的执行力。

二、有氧体能与脑的结构功能

1.有氧体能与大脑结构

大量研究发现，长期锻炼对大脑具有可塑性影响。一些研究发现，认知功能也与基底神经节相关，认知控制的缺陷和基底神经节特定区域的容量差异相关。基底神经节可细分为腹侧和背侧纹状体，其中腹侧纹状体涉及对刺激反应挑战进行认知控制。如研究者对不同体能儿童的基底神经节容量、认知控制能力做了分析研究，首先对一批9～10岁的儿童进行一次有氧体能测试，根据测试结果将他们划分为高体能或低体能组，同时让他们完成一项认知控制任务，一年后再次完成这一任务。研究发现，与低有氧体能儿童相比，高有氧体能儿童在两次任务测试过程中反应的精确性均更高，同时在要求不同任务控制量的条件下，灵活分配策略更好。高有氧体能儿童在后测中反应速度更快。脑影像结果也发现，基底神经节容量和任务表现之间存在关联，背侧纹状体的双侧核壳和苍白球容量预测着儿童在基线和一年后的任务表现。基线检测时有氧体能更高的儿童，基底神经节容量更大，在随后的认知任务中表现也更好[8]。

海马是和认知活动有着密切关联的一个重要脑区，它在新的关联记忆形成中扮演着重要角色。一些研究者考察了有氧体能、海马容量和记忆之间的关系，研究者将49名9～10岁儿童分为高体能和低体能组，分别完成关联记忆与非关联记忆任务。研究发现，与高体能儿童较之于低体能儿童，其双侧海马容量更大，关联记忆任务表现更好[9]。

2.有氧体能与大脑功能

有氧体能不仅影响大脑结构，也影响大脑功能。脑电研究发现，高体能水平儿童中，认知功能与神经电反应相关。一项研究以38位平均年龄为9.4岁的儿童为实验对象，将其分为高、低有氧体能两组，采用认知任务考察有氧体能和执行控制功能以及脑电特征差异的关系。研究发现，与低体能儿童相比，高体能的儿童在各种任务中能保持高水平的任务成绩，而且脑电P3波幅更大、错误关联负波的波幅下降。脑电的P3波幅更大，表明有氧体能搞的儿童在对不断增长的任务需求反应中，注意资源分配的能力更强；錯误关联负波波幅下降，表明调制行动监控加工能力更强，提示有氧体能高的儿童在刺激编码阶段能够募集到更多的注意资源，并在反应选择阶段能更好地降低注意干扰，因而认知成绩更好。然而，低体能水平儿童在不断增长的任务需求反应下，只能募集较少的注意资源，转而更加依赖于行动控制策略，行动控制能力就会更低，故而任务成绩更差[10]。

功能磁共振研究进一步发现体能对大脑不同脑区活动模式的影响。如一项研究比较了高、低有氧体能儿童在做认知任务时额区和顶区脑区活动模式的差异。结果发现，高有氧体能的儿童反应的准确性更好，而低有氧体能的儿童在前后阶段间反应准确性均下降；高低有氧体能儿童额区和顶区、活动模式存在着差异，高低有氧体能儿童在完成复杂任务时额区和顶区的激活在早期阶段增加，在晚期阶段激活下降，而低有氧体能的儿童在前后阶段间脑区激活没有变化。研究者认为，在认知控制条件下，需要满足和维持任务目标，高有氧体能儿童的脑区激活变化，表明大脑适应性神经加工更好[11]。

总之，脑科学研究证实了高体能和儿童认知神经功能的积极关联。

三、教学启示

综上所述，有氧体能与儿童大脑认知神经功能存在着积极关联，有氧体能更好的儿童，其认知水平和大脑功能更好，锻炼是促进儿童认知发展和脑健康的一种有效方法。

1.重視运动对认知和大脑的作用

当前许多儿童锻炼的参与随着年龄增长而日益减少，体能有不断下降的趋势。究其根源，一些教师对锻炼在认知发展和脑健康的作用缺乏足够的认识，认为运动会影响孩子的学习，因而常常忽视儿童的锻炼。而大量的证据表明，有规律的运动不仅可以提高体能，还能促进认知和学习，因此教师要摒弃陈旧观念，把运动时间还给学生，同时也要注意向家长传授相关知识，转变家长教育观念，共同督促学生参加锻炼。

2.整合实验室研究与教学实践成果

当前，关于体能对认知影响的研究沿着实验室研究和实际应用研究两条线展开。在实验室研究方面，目前使用横断研究多采用体质测验对儿童进行分组，然后采用认知任务考察不同体质儿童认知功能的差异。这类研究存在的问题是实验室研究生态效度比较差，与教育实践脱节严重；而实践研究，又有无关因素控制不够好，结果分歧大的问题。因此，教育实践工作者要注意将两方面的优点结合起来，扬长避短。实验室研究可侧重于体能对认知方面影响的机制研究，而实际研究则可侧重于体能对认知和学习成绩影响。两者结合才可使研究具有更好的生态效度和推广价值。

3.科学地开展锻炼

已有研究表明，锻炼和体能对儿童认知和脑功能的促进受多方面的因素制约，盲目的锻炼有时不仅无助于儿童的身体发展，还可能造成不必要的运动伤害。因此在运动开展过程中，教师还要对锻炼的相关因素进行必要的选择或控制。此外，就具体的干预设计而言，也应该精心设计，比如什么时候开始锻炼最好；如何控制锻炼的强度、频率和持续时间，使之产生更好的锻炼效益；如何根据儿童特点设计个性化锻炼方案；等等。处理好这些问题，锻炼才能达到事半功倍的效果。

参考文献：

[1]World Health Organization. The World Health Report 2002[R].Geneva：World Health Organization.

[2]Howie EK，Pate RR. Physical activity and academic achievement in children：A historical perspective[J].Journal of Sport Health science，2012，1（3）： 160-169.

[3]Smith，EE，Jonides，J.Storage and executive processes in the frontal lobes[J]. Science，1999，283（5408）：1657-1661.

[4]Wu CT，Pontifex MB，Raine LB， etal. Aerobic fitness and response variability in preadolescent children performing a cognitive control task[J]. Neuropsychology， 2011， 25（3）：333-341.

[5]Chaddock-Heyman L，Hillman CH，Cohen NJ，etal.The importance of physical activity and aerobic fitness for cognitive control and memory in children[J].Monographs of the Society for Research in Child Development， 2014， 79（4）： 25-50.

[6]Davis CL，Cooper S.Fitness， fatness，cognition，behavior， and academic achievement among overweight children：Do cross-sectional associations correspond to exercise trial outcomes？[J]. Preventive Medicine，2011，52（s1）：65-69.

[7]Horvat M，Croce R.Physical Rehabilitation of Individuals with Mental Retardation： Physical Fitness and Information processing[J].Critical Reviews in Physical and Rehabilitation Medicine，1995，7（3）：233-252.

[8]Chaddock L，Hillman CH，Pontifex MB，etal.Childhood aerobic fitness predicts cognitive performance one year later[J].Journal of Sports Sciences，2012，30（5）：421-430.

[9]Chaddock L，Erickson KI， Prakash RS，etal. A neuroimaging investigation of the association between aerobic fitness，hippocampal volume，and memory performance in preadolescent children[J].Brain Research，2010，1358（4）：172-183.

[10]Hillman CH，Buck SM，Themanson JR，etal.Aerobic fitness and cognitive development：Event-related brain potential and task performance indices of executive control in preadolescenlchildren[J].Developmental psychology，2009，45（1）：114.

[11]Chaddock L，Erickson KI， Prakash RS，etal. A functional MRI investigation of the association between childhood aerobic fitness and neurocognitive control[J]. Biological Psychology，2012，89（1）：260-268.