学龄前儿童体能运动训练对认知能力的影响

吴恒莉，张春荣，裴宝颜，周 纲

（1.西安丝路类脑科学研究院，陕西西安 710077；2.西安市铁一中学，陕西西安 710000）

一、问题提出

脑神经科学研究证明，体能运动训练能对儿童大脑结构和功能产生持久效应，可以提高神经系统中细胞、分子和神经回路的机能以及改变大脑结构和功能连接，在大脑中形成发达的运动功能区，为提高儿童青少年认知功能起到了重要作用［1-2］。

教育部2012 年颁发的《3-6 岁儿童学习与发展指南》提出了重视和引导学龄前儿童动作发展的平衡能力、协调能力、灵敏性、力量和耐力以及感知形状与空间关系，对于学龄前儿童的身体和认知发展均具有深远影响［3］。

国内外的研究者已经对体能运动和认知能力的关联性做了大量研究。斯宾塞在其著作《教育论》中提到，要依照生长的速度来控制体力和智力的运用［4］，强调体能修身，智育修脑，通过科学有效的体脑结合，促进学龄前儿童全面发展。Hillman 等学者的研究指出，通过定期的体能训练，儿童表现出更好的学习能力和认知控制，而且可以促进儿童整体发展的协同效应［5］。Chen，A.G 等研究了有氧运动对儿童工作记忆的影响，提出了儿童工作记忆增强的神经基础［6］。还有相关文献反映了学龄前儿童障碍跑运动完成程度和视觉整合能力之间的关系［7-8］，Ericsson 等发现通过专门的体能运动训练可以改善认知和技能水平［9］，这些研究主要体现了体能运动促进智力发展和学习能力的提升。Levine 等研究并探讨了学龄前儿童早期拼图游戏与学龄前儿童的空间转换技能之间的关系，并通过对照组进行检测发现，参与每周拼图积木游戏的学龄前儿童在认知评估上表现出了显著的改善［10］。

当前我国儿童青少年体能素质及健康问题面临非常严峻问题，2017年我国儿童青少年超重率为12.2%，肥胖率为7.1%，体重正常人数比例甚至不足50%［11］，这种身体状况不仅容易导致儿童青少年罹患各种生理疾病的风险上升，而且影响儿童青少年认知功能的发展。在儿童成长过程中，动作发展是判断个体脑发育正常与否的重要指标。目前，我国儿童基本体能训练动作技能发展的特征是身体协调控制能力较差、动作连贯性不强、肢体优势侧和非优势侧动作表现差异较大［12］。

本研究选取了同时开展体能大循环训练课程的幼儿园学龄前儿童作为研究对象，聚焦探索不同年龄段学龄前儿童体能训练动作和认知能力的关系。本研究设计的体能运动训练的基本动作属于3～6岁学龄前儿童发展的动作技能，包括翻滚动作、单杠动作、跳箱动作和手精细动作，这些动作技能基本反映了这个年龄段儿童对早期认知功能，包括空间力、专注力、观察力、记忆力、逻辑推理力、想象力的水平［13］。

二、研究设计

（一）研究对象

在西安市的3所幼儿园中，按照月龄随机抽取不同年龄段学龄前儿童作为被试者，被试体能测试采取线下数据采集和视频采集。在体能测试中，对于被试学龄前儿童因个人原因无法完整参与测试或配合程度不高的测试数据予以剔除。最终共计104 名学龄前儿童（男童66 名，女童38名）。参与完成体能测试及认知测试（见表1）。

表1 被试者的基本信息

同时，被试学龄前儿童不仅在学前教育机构参与体能大循环训练，同时还参与旨在通过“五感”刺激促进大脑神经元的连接、助力大脑各区块的协同发展的脑力训练。

（二）研究工具

体能测试评估依据国家卫健委《0-6 岁儿童发育行为评估体系》，结合《3-6 岁儿童学习与发展指南》并增加了教育脑科学学龄前儿童体能大循环训练项目的特色动作，按照不同月龄身体发育特征设计不同的体能训练动作，体现学龄前儿童的发展规律。TGMD-3 主要测试儿童在日常生活和体育活动中所需基本运动技能中跑步、跳跃、翻转、平衡、滚动等的表现，评估他们的大运动发展水平。因此，本研究参考TGMD-3 来观察学龄前儿童在规定的体能运动中的动作表现。采用两个摄像机位、多视角的视觉立体数据采集，将数据信息进行视频提取、分类、识别，评估学龄前儿童的运动发展水平以及在空间中的移动和位置变化。结合TGMD-3 评分准则，不符合动作标准不得分，记为0 分，符合一条动作标准得1 分，本研究参考TGMD-3 评分准则，根据动作的完成达标情况，将动作完成程度划分了三个级别，0 代表动作未完成，1 代表动作完成程度低，2 代表动作完成程度很高。每个测试动作的标准不同，得分有所差异。不同月龄学前儿童的体能训练动作完成数量见表2。

表2 不同月龄体能训练动作数量统计

为了寻找与认知能力更多的联系，参考第四版韦氏儿童智力量表（WISC-IV）和斯坦福-比奈量表（SB-5）针对3-6 岁儿童的专注力、观察力、空间力、记忆力、逻辑思维能力、想象力的认知测评体系来评估3-6 岁儿童认知能力发展水平。按照3-4 岁、4-5 岁、5-6 岁三个年龄段，共设计了22 个测试内容，其中，题纸类10题、手部精细动作类11 题、创编类1 题。具体内容如下：观察能力题纸、空间能力题纸、逻辑思维能力题纸、迷宫题纸、系列数字并按顺序重复题纸、数字与符号对应关系的编码测试题纸、根据示范图样完成点线连接、在两幅图中找出不一样的地方并做标识、组合图形的辨别位置、根据示例找出规律并进行排序和记忆卡创编以及手精细动作中的拼长方形或正方形、照图组装螺丝、折纸边角对齐、剪平滑圆形图案、临摹组合图形内容、模仿画方形、模仿画交叉线、模仿画椭圆、写自己名字、打活节、学翻绳。每个年龄段有14-15 个测试内容，主试按照被试儿童当前表现，根据每个测试内容所对应的专注力、观察力、空间力、记忆力、逻辑思维、想象力对儿童的当前认知能力发展进行评估。评分先按3 分值，0 分表示第一次未完成，1分表示第二次完成，2 分表示第一次完成。百分制计分是通过计算各能力分值及各项目分值，综合形成学龄前儿童整体认知能力评估结果。

利用Cronbach's alpha 和KMO 探索性因子分析法分别进行测试内容内部一致性信度检验和因子分析的适用性和样本数据的合适性的检验，评估研究工具内部各项指标之间的一致性程度。运用统计分析软件SPSSAU（Version 24.0）计算，信度系数值为0.760，大于0.7，说明研究数据信度质量良好，各项指标之间具有较好的一致性，数据具有意义；使用KMO 和Bartlett 检验进行效度验证，KMO值为0.766，研究数据适合提取信息（从侧面反映出效度较好），说明测试指标的构造效度达到研究要求。

（三）实验设计

1.动作要求

重点关注学龄前儿童在不同阶段的翻滚、单杠、跳箱、障碍跑动作。具体完成实验动作要求见表3。

表3 体能测试动作的实验要求

2.测试过程

每组测试人员分为主试人员1 名，辅助人员1 名，对测试过程进行了视频采集，主试人员对被试完成项目评测进行分值记录。每6 名学龄前儿童分为一组，按照顺序轮流进行测试，给予被试者有足够的体能恢复时间以完成下一个动作。所有测试项目过程不需要训练，无论被试是否完成，仅有一次完成机会。每位被试者完成所有动作项目的测试时间，根据不同月龄段的动作项目不同有所差别。主试和辅助人员线下通过观察学龄前儿童在特定项目中的表现，记录他们的动作和技能水平并根据每个子测试项目的评分标准进行评分，以主试评分为主，参考辅助人员评分，对分值进行梳理、比较、分析，给出最终分值，分值以整数计。测试后，主试人员对自己采集的数据和另一名主试进行互检。

（四）数据处理

主要以第一阶段的线下数据为主，对104 名学龄前儿童进行相应的体能运动测试并参照所参与的脑力训练课程的课堂评价，使用SPSSAU（Version 24.0）统计分析和生成式大语言模型ChatGPT对不同月龄段学龄前儿童的数据进行单因素方差分析和相关性分析。

三、研究结果与分析

（一）体能运动训练的持续性和阶段性之间的差异性分析

参加持续性与阶段性体能训练的儿童在单杠悬垂、跳箱骑撑、跪撑的动作及手精细动作剪平滑圆形上表现差距较少，其完成程度上表现基本一致。其中，参加持续性体能训练的儿童完成低杠直臂支撑移动、橫腿跳5 层高度跳箱及照图画椭圆形的质量较之参加阶段性体能训练的儿童要高出50%，可见，在需要持久力的动作（例如，低杠直臂支撑移动）和技能技巧动作（例如，悬挂摆腿钩杠、杠下俯身撑地回环和橫腿跳5 个高度跳箱）上表现出差异；同时在特别需要技能技巧的其他动作（例如，悬挂摆腿钩杠）上差异更加悬殊，表现在很多参加阶段性体能训练儿童无法完成（见图1）。参加持续性体能训练的儿童，其跳箱动作完成度较高，其动作的持续性、稳定性、协调性方面更为突出。从测试数据可以看得出，持续接受体能训练的儿童认知能力综合分值较之未受过持续性体能训练和脑力训练的儿童要高。

图1 持续性训练与阶段性训练对比数据

对悬垂、低杠直臂支撑移动、杠上支撑摆动、悬挂摆腿钩杠、杠下翻转、杠下俯身撑地回环、骑撑、跪撑、横腿跳5 个高度跳箱、照图画椭圆形、剪平滑圆形共11项动作所进行的差异性分析（见表4），结果显示持续性训练和阶段性训练样本对于悬垂、杠上支撑摆动、杠下翻转、骑撑、跪撑、剪平滑圆形共6 项动作不存在显著性（p＞0.05），说明这些动作对于持续性训练和阶段性训练样本表现出基本一致性，无显著差异性；持续性训练和阶段性训练样本对于低杠直臂支撑移动、悬挂摆腿钩杠、杠下俯身撑地回环、横腿跳5 个高度跳箱、照图画椭圆形共5 项动作呈现出显著性（p＜0.05）。具体分析如下，对于低杠直臂支撑移动呈现出0.05 水平显著性（p=0.025＜0.05），对比中位数差异可知，持续性训练样本的中位数（1.000）明显高于阶段性样本的中位数（0.000）；对于悬挂摆腿钩杠呈现出0.05水平显著性（p=0.018＜0.05），对比中位数差异可知，中位数相等；对于杠下俯身撑地回环呈现出0.05水平显著性（p=0.038＜0.05），对比中位数差异可知，持续性的中位数（1.000），明显高于阶段性的中位数（0.000）；对于横腿跳5 个高度跳箱呈现出0.01 水平显著性（p=0.003＜0.01），对比中位数差异可知，持续性的中位数（1.000），明显高于阶段性的中位数（0.000）；对于照图画椭圆形呈现出0.01水平显著性（p=0.000＜0.01），对比中位数差异可知，持续性的中位数（2.000），明显高于阶段性的中位数（1.000）。

表4 非参数检验分析结果

（二）体能运动训练动作与认知能力的关联分析

学龄前儿童的体能运动训练水平不仅反映了他们的身体素质水平，还可间接反映认知能力水平。在对学龄前儿童的体能对照试验测试中，通过对比、主试老师观察和交流发现，体能运动训练能力较强的学龄前儿童，其空间感知能力、视动整合能力较好。

1.翻滚体能动作反映了学龄前儿童空间感知能力

手精细运动与空间有关的动作指的是，通过协调和控制手指和手腕的运动进行精确而复杂的手部任务的能力，从而训练方向感知、位置感知、形状感知、距离感知、旋转和翻转感知以及导航感知。Spearman 相关系数所表示的相关关系的强弱情况，体现了60-84 月龄儿童翻滚所规定的动作与空间感知力之间的关联性（见表5）。

表5 60-84月龄儿童空间感知力与翻滚动作的Spearman相关系数分析

临摹组合图形与助跑前滚翻1项动作之间均呈现出显著性，相关系数值分别是0.387，均大于0，意味着临摹组合图形与助跑前滚翻动作之间有着正相关关系。拼长方形与前滚翻、助跑前滚翻2 项动作之间均呈现出显著性，相关系数值分别是0.540，0.349，均大于0，意味着拼长方形与前滚翻、助跑前滚翻2 项动作之间有着正相关关系。但侧身前滚翻动作与手部精细动作并不存在相关性。

从104名学龄前儿童，随机选取34名60-84月龄儿童，将这些学龄前儿童翻滚动作，包括侧身翻滚、前滚翻、助跑前滚翻，与空间能力有关联的手精细动作的临摹组合图形、剪平滑圆形和拼长方形进行了分值比较，通过观察和交流，发现大部分完成翻滚动作5分值以上的完成程度的学龄前儿童，其手精细动作也都达到4分值（见图2）。

图2 翻滚动作与手精细运动（60-84月龄）

2.跳箱动作与认知能力的关联分析

以学龄前儿童体能运动训练的跳箱动作为例，随机选取35-47 月龄、48-59 月龄和60-84 月龄的学龄前儿童各20名，Spearman相关系数体现了跳箱运动所规定的动作与儿童认知能力之间的关联性（见表6-8）。

任务型教学模式下的师生关系是 “主体-中介-主体”的主体间性关系（见图表3）[7]，因为教学活动就其本质而言是师生交往、积极互动、共同创造意义、共同发展的活动。处于教学系统中的教师和学生都是具有主体地位，能够发挥自身主体性的个体，是主体与主体间的合作，平等交流的关系，并在对话和交往过程中表现出主体间性。

表6 35-47月龄段儿童认知能力与跳箱动作的Spearman相关系数分析

以35-47 月龄的20 名学龄前儿童作为被试，如表6所示，主要发现：模仿画圆与横腿跳3层高度跳箱之间全部均呈现出显著性，相关系数值分别是0.643，均大于0，意味着它们之间有着正相关关系。由于模仿画圆动作需要专注力、观察力和空间感来理解模仿的形状、比例等要素，因此，跳箱横腿跳3 层高度跳箱动作与专注力、观察力和空间感等认知能力存在关联性；拧螺丝与跪撑、骑撑共2项之间均呈现出显著性，相关系数值分别是0.607，0.677，均大于0，意味着它们之间有着正相关关系。在拧螺丝的过程中，观察力和逻辑推理对于理解螺丝的位置、方向、顺序、调整力度以及相对于物体的关系至关重要，因此，跳箱动作中的跪撑、骑撑与专注力、观察力和推理力也存在关联性。拼圆形和正方形与跳箱跪撑、骑撑2 项动作之间均呈现显著性，相关系数值分别是0.458，0.568，均大于0，意味着它们之间也有正相关关系。记忆力、观察力、空间感和想象力在拼图过程起到了观察每个拼图块的形状、颜色、边缘以及拼图块之间的空间关系，有助于选择正确的拼图块、正确位置以及预测拼图的最终形状和布局。拼图动作与跳箱跪撑动作的正相关关系也体现在60-84 月龄的学龄前儿童中，拼长方形与跪撑、横腿跳5 层高度跳箱2 项之间均呈现显著性，相关系数值分别是0.400，0.351，均大于0，意味着拼长方形与跪撑、横腿跳5 层高度跳箱共2项之间有着正相关关系。

以48-59 月龄的20 名学龄前儿童作为被试，如表7所示，可以得出以下分析结论：折纸边角整齐与支撑侧跳、跳上接跳下4 层高度跳箱2 项之间均呈现显著性，相关系数值分别是0.376，0.413，均大于0，意味着它们之间有着正相关关系。折纸边角动作需要持续的专注力和观察力以确保折叠动作准确无误和理解折纸的构造、边角的位置和折叠方向，折纸还需要对纸张的空间关系有清晰的认识，以确保折叠的准确性和整齐性，在理解折叠步骤的逻辑关系和顺序方面，逻辑推理能力也起到了重要的作用。认知能力强的人更容易理解和掌握折纸的技巧。所以，在48-59 月龄段的学龄前儿童中，折纸边角动作体现了认知能力和跳箱动作中的支撑侧跳、跳上接跳下关联影响。

表7 48-59月龄段儿童认知能力与跳箱动作的Spearman相关系数分析

以60-84月龄的20名学龄前儿童作为被试，如表8所示，主要发现：涉及认知能力的手精细动作与很多跳箱动作之间并不存在相关关系，说明随着学龄前儿童年龄的增大，跳箱动作中的几个典型动作如骑撑、跪撑、横腿跳5层高度跳箱、跳上接跳下5层高度跳箱对认知能力的影响不大，它们之间没有关联性。但是个别动作之间仍然存在相关性，涉及专注力、观察力、空间感和逻辑推理的剪平滑圆形与跪撑动作之间均呈现出显著性，相关系数值分别是0.354，均大于0，意味着专注力、观察力、空间感和逻辑推理与跪撑之间有着正相关关系。手精细动作中的学翻绳动作需要观察绳子的位置、运动轨迹，同时需要记忆力学习和掌握学翻绳动作的技巧和步骤，而学翻绳动作与横腿跳5层高度跳箱动作之间呈现出显著性，相关系数值是0.377，大于0，意味着观察力和记忆力与横腿跳5层高度跳箱动作之间有着正相关关系。

表8 60-84月龄段儿童认知能力与跳箱动作的Spearman相关系数分析

如表7所示，在48-59月龄的学龄前儿童中，涉及手精细运动的模仿画方形动作与跳箱跪撑动作呈现出显著性，相关系数值分别是-0.364，小于0，意味着它们之间存在负相关关系。

从104 名学龄前儿童，随机选取20 名35-47月龄儿童做跳箱运动的跪撑、骑撑、横腿跳3层高度跳箱动作，总分值为6分；在完成3项跳箱动作之后，再做涉及认知能力的手精细动作的模仿画圆、拼正方形和拧螺丝，总分值为6分。通过观察和交流，我们发现跳箱评测分值在4分以上者，其认知评测在4分及以上（见图3）。

图3 跳箱评测与认知评测数据（35-47月龄）

从104 名学龄前儿童，随机选取20 名59-84月龄儿童做跳箱运动的骑撑、跪撑、横腿跳5 层高度跳箱、跳上接跳下5 层高度跳箱动作，总分值为8分；在完成4项动作后，再做涉及认知能力的手精细动作剪平滑圆形和学翻绳，总分值为4分。通过观察和交流，发现多数跳箱评测分值为4 分及以上者，其认知评测分值也在2 分以上（见图4）。

图4 跳箱评测与认知能力评测（59-84月龄）

四、研究结论与建议

（一）研究结论

1.学龄前儿童的体能训练与脑力训练相互协调促进

持续接受体能训练和脑力训练的学龄前儿童的体能运动动作及手精细动作完成程度较高，说明体能训练和脑力训练对于提升学龄前儿童的动作技能、认知功能发展具有很重要意义。体能运动动作是通过神经传导路径来控制的，学龄前儿童在体育活动中需要处理大量的感觉信息，如视觉、听觉和运动感觉等，而这些感觉输入通过神经系统传递到大脑，再从大脑生成适当的运动行为输出，以控制身体的各项动作和情绪情感。因此，大脑的感觉－运动整合能力对于体育能力至关重要。

2.翻滚能力对学龄前儿童空间感知能力具有预测作用

通过对学龄前儿童体能运动的翻滚动作和空间感知能力的数据对比，可以观察到翻滚动作完成程度较好的学龄前儿童在空间感知能力认知测试中能够很好地完成拼图、临摹组合图形。在拼图测试中，学龄前儿童需要根据提供的积木块中选择适当的积木，并将其组合成一个长方形或正方形。在积木拼摆时，学龄前儿童需要对积木的形状和特性进行观察和理解、了解积木之间的空间关系，以确保它们正确地被组合成长方形或其他形状，另外，学龄前儿童还可以运用逻辑推理能力，推断出哪些积木块适合组成正方形并选择正确的组合方式，空间感好的学龄前儿童会探索尝试不同的拼摆方法。反之，空间感知认知测试完成度较低的学龄前儿童在翻滚动作上表现也不太理想，这就从一个侧面反映了这种关联性。可以推断，翻滚动作可以作为体现学龄前儿童，特别是年龄偏大的学龄前儿童的空间感知能力的一项指标。

3.学龄前儿童跳箱动作与其认知能力具有关联性

体能运动中的跳箱动作与认知能力的关联性体现在不同的跳箱运动动作需要大脑不同区块的协同发展。学龄前儿童大脑前额叶皮质的决策和计划功能决定了何时伸出双臂支撑和助跳，大脑运动皮层可以确定跨跳时弹跳的力度和双脚跨跳的高度，大脑精细的运动控制功能有助于在跳跃中进行劈叉支撑，大脑的视觉整合能力可以帮助在助跑时对距离和高度的精准观测。在跳箱运动跪撑动作中，学龄前儿童不仅需要有一定的双臂支撑力及弹跳力，还需要大脑感觉区域、空间感知的支持，通过感觉神经元将身体的触觉信息传递到大脑皮层中的感觉区域来协调手臂肌肉、腿部肌肉和腹部肌肉的活动；在跳箱运动骑撑动作中，学龄前儿童通过视觉和触觉感知调整动作和身体位置，锻炼身体平衡和协调能力，促进感知能力及空间力的提升；在跳箱运动横腿跳动作中，学龄前儿童不仅需要有双腿横向打开的动作技能、手臂的力量支撑，还需要视动整合能力及大脑区块之间的有效连接，以观察跳箱的距离和高度，从而规划动作；在跳箱运动跳上接跳下动作中，学龄前儿童需要将认知指令转化为具体动作，促进视觉感知、动作观察力和大脑的协调性及专注力。

（二）教育建议

1.采用不同的体育训练和脑力训练项目提升学龄前儿童运动技能和认知能力

不同的体育训练项目不仅可使学龄前儿童身体机能得到全面提升，同时对于认知能力也起到有益作用。在脑力训练中通过闪卡、视幅促进学龄前儿童的视神经发育，通过迷宫、各类积木操作训练学龄前儿童的空间感知能力，通过故事串联记忆法、身体定位记忆法以及数字编码记忆法，从图像记忆到抽象记忆的过渡，提升学龄前儿童的记忆力，从而为记住体能运动训练的动作要求奠定基础。对于学前教育工作者而言，需要了解学龄前儿童的体能水平、脑力水平以及认知能力状况，根据个体差异制定相应的训练计划，更有针对性地促进学龄前儿童的认知能力发展。

2.加强学龄前儿童体能运动训练评估

体能运动训练评估有助于监测学龄前儿童基本体能运动技能和协调能力，为其整体发展提供基础。脑力训练评估关注学龄前儿童的认知能力，为其学习、思维的提升提供参考资源。学前教育机构可通过智能化的评估系统进一步观察学龄前儿童的体能及认知能力的关联性并协助家长为学龄前儿童进行有针对性的指导。

3.加强学前教育的多学科融合

为了培养学前教育工作者的专业素养，使其能够灵活应用最新的科学研究成果并在实践中不断优化训练与教学方法，就需要借助多方力量提供专业的培训和支持。应在体育训练的环节中增加脑力训练课程，相关高校和科研机构要有针对性地提升学前教育工作者的教育学、心理学、神经科学的理论知识和应用水平，帮助学前教育工作者更好地理解体能训练与脑力训练的重要性，通过多学科融合，以科技赋能学龄前儿童体能运动训练和脑力训练。

4.鼓励家庭成员参与学龄前儿童的体能训练和脑力训练

学龄前儿童园所为家长提供相关的知识和指导，使学龄前儿童能够在家庭中积极参与并延续训练效果，形成家庭与学校协同合作打造一个良好的学龄前儿童体能运动和认知能力提升的环境。