浅谈体育运动促进儿童学业成就及其作用机制研究进展

1 体育运动与儿童的学业成就

检索体育运动与儿童发展相关研究文献时，发现以往的文献会使用不同的概念，如体育运动(physicalactivity)、体育课程(physical education)、锻炼(exercise)、体育训练(physical training)、体适能(physical fitness)等，而根据不同的分类标准，可以将运动划分为短时运动和长时运动，有氧运动和无氧运动，以及由非常小到最大5 种不同强度的运动类型。因此，为了全面地梳理该领域的研究，本文会将含有上述不同概念的研究纳入其中。早在古希腊时期，就有研究者认为体育活动与智力之间存在着一定的联系，但直到1990 年零点体育课(Zero Hours PE，被称为一项最具突破性的体育教学项目)的出现，人们才惊奇地发现心肺训练有益于儿童的阅读理解和数学能力。近些年来，国内外涌现出许多关于运动与儿童学业成就关系的研究，下面将按照研究范式来梳理该领域的研究成果。

1.1 相关研究

相关研究是科学理论的前提，很多相关研究发现体育运动与学业成就之间存在着积极的相关，大样本的研究也使得结果更具普遍性。Dwyer 等对将近8 000 名澳大利亚的儿童(7~15 岁)进行了体适能、心肺功能和一般体育活动的调查，发现这些项目与学业成绩之间存在着较小的正相关;Coe 等对1 701 名3、6、9 年级的儿童进行了标准化的现场测验(Fitnessgram)，结果发现6、9 两个年级有氧体适能高的儿童数学和社会科学的成绩更高;而为了更好地探讨体育运动对儿童学业成就的长时效应，有研究者开发了一系列体育项目对儿童进行了长期的追踪。如Sallis对759 名儿童从幼儿园到小学5 年级进行的追踪研究，发现长期参与SPARK(Sports-Play-Activerecreation of Kids)运动项目的学生其成绩的百分位数下降比那些不参与运动项目的学生少;Pagani 等关注了婴儿的动作发展，从被试5 个月开始追踪到了小学2 年级，在婴儿期进行了父母问卷、儿童动作发展以及教师问卷的调查，发现精细动作的发展能很好地预测2 年级时儿童阅读、数学能力、一般学业成绩及课堂表现，粗大动作则没有预测力。对于这些儿童来说，更多的体育活动可以减少肥胖症的形成，且有助于提升他们的精细动作的发展，能够促进学生的合作、分享和遵从规则等品质，而学生会将这些品质带入到课堂学习之中。

1.2 实验研究

最近，越来越多的研究者开始采用随机对照实验范式，以便更好地揭示体育运动对儿童学业成绩的影响。Mairena 等将21 所幼儿园中第3 年的幼儿随机分为干预组(1 299 人)和控制组(1 108 人)，采取Movi-Kids 项目进行2 年的干预(包括每周3 次60 min的体育活动，如基本运动游戏、运动场游戏和跳舞等活动)，结果发现参与Movi-Kids 项目的儿童学业成绩有显著提升，运动场上的体育游戏不仅能提升儿童的学业成绩，还可以控制儿童的肥胖程度。Ericsson将251 名小学生分为2 个实验组(152 人)和一个控制组(99 人)，为实验组儿童增设一门体育课，每周实行两节额外的体育课教学，3 年干预后发现实验组的儿童数学、阅读、写作的分数显著高于控制组，同样的优势还存在于注意上，但随着时间推移注意的增强消失;Duncan 和Johnson将小学生分为中、高运动剂量组和休息组，运动组进行20 min 的脚踏车测力运动，发现无论多大的运动强度都能提升儿童的拼读能力，其中中等强度的运动对阅读能力的提升更明显。

但令人遗憾的是，并非所有的实证研究都得出了一致的结论，有的实证研究发现，体育运动并不能提高儿童的学业成就。如Lambournea 等通过对687 名2 年级和3 年级学生的体育活动进行实验分析，发现体育活动和有氧适能与学生的韦氏成就测验(WIAT-III)结果不存在显著性相关。Jaakkola 等年采用自我报告的方法对中学生施测也得到了类似结果。因此从上述研究中发现：

(1)不同学业成就的测量工具导致结果的不同。如大部分没有结果的研究测量的大多是儿童智力，而发现积极影响的研究测量的是儿童的阅读、数学能力。

(2)大多体育运动对儿童学业成绩产生积极影响的研究都在训练儿童的体适能而非一般性体育活动，如2004 年美国加州教育部(CDE)的调研结果表明，5、7、9 三个年级儿童的体能标准测试(有氧运动能力、身体成分、力量、灵活性)分数越好，语言和数学能力越强，且Hippel 等对前人研究进行总结，发现体适能更好的学生力量和灵活性更强。

(3)提高学业成绩的关键在于如何提高体适能的阈值，使儿童在运动时处于运动状态。在SPARK 项目中，Sallis[8]认为除非花费两倍的时间在体育课中，让儿童处于一种更积极的活动状态，才能让他们在学习上表现得更好。

(4)在体育运动对儿童的影响上存在一些中介或调节变量使结果发生变化。Pagani 等正是控制了儿童因素(如年纪、性别、兄弟姐妹的数量、父母给儿童读书的次数等)，以及家庭因素(如父母的社会经济地位、智力商数和母亲抑郁程度等)才得到了体育运动对儿童学业成就的积极作用，同样Mairena 等除了对儿童进行体育干预外，还对父母、教师和教学环境也进行了一定的干预，如增加父母和教师在项目中的卷入程度及改善孩子的生活方式等。Santiago 等的研究进一步发现，运动对儿童学业成就的影响受到性别的调节，女生花费更多的时间参与运动，她们的数学和阅读成绩就会更好，但运动的这种优势并不存在于男生身上。可见，体育运动对学业成就的促进作用尚需进一步研究加以验证。

2 体育运动促进儿童学业成就的机制

体育运动促进儿童学业成就的潜在机制是什么?运动生理学家和运动心理学家从不同的学科角度进行了探讨。纵观以往不同领域的研究，运动促进学业成就的机制包括神经生理机制、认知机制和社会心理机制。这3 种机制之间并非相互排斥的，例如社会心理机制中包含着生理机制。

2.1 神经生理机制

1)大脑结构和功能的改变。

运动改善认知功能的脑可塑性理论指出，体育运动可以通过系统水平、细胞水平、分子水平等多维途径影响脑的可塑性，而儿童认知的改善可以说是运动所致相关脑区可塑性发展变化的结果。如Chaddock等做了一系列的研究，结果表明大脑的背侧纹状体、海马区都易受到运动的影响而发生改变，从而提升认知控制能力和记忆力，且体适能高的儿童具有较大的背侧纹状体，健康儿童的海马区比不够健康的儿童大了12%。体育运动不仅能够改变儿童大脑的结构，还能改变大脑的功能，具体表现为相关脑区激活水平和网络联结的变化。Davis发现，每周5 次持续15 周的运动干预方案能让超重儿童双侧前额叶的激活水平提高，而双侧后顶叶的激活水平降低，从而提高儿童的认知控制能力。Chaddock 等使用fMRI 研究发现有氧适能高的儿童，其认知控制能力更高，在完成任务时激活了前额叶和顶叶的脑区。陈爱国等发现，让儿童进行一次30 min 中等强度的有氧运动，可以使儿童双侧后扣带回、双侧顶叶中央后回和左侧背外侧前额叶的ReHo 提高，即运动可以通过增加儿童静息状态下脑功能局部的一致性，改善脑的可塑性来提升执行能力。

2)神经递质。

大脑由1 000 亿个不同类型的神经元组成，而这些神经元之间通过传递各类化学物质来传递信息，其中80%左右的信号都是由谷氨酸盐(glutamate)和-氨基丁酸(GABA)两种神经递质传递的，前者刺激神经冲动并主导一连串信号的传导，后者则抑制冲动。而由于神经元的活跃运动，它们之间的联系会更紧密、吸引力更强，使得谷氨酸盐在学习过程中成为一个不可或缺的因素，能让神经元同步连接。人在运动时能增加体内血清素、去甲肾上腺素和多巴胺的水平，这些神经递质在传递思维和情感的过程中，起着非常重要的作用。除了上述的神经递质，还有一类叫做脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophicfactor，BDNF)，它是一种大脑内合成的蛋白质，主要负责建立和保养神经细胞回路，是大脑的优质营养肥料，存在于海马区，与记忆和学习密切相关。BDNF 是思维、情感和运动之间至关重要的生物学纽带，不仅可以使得新细胞更快地生成新分支、建立更强的联系，还可以与突触上的受体结合释放电子流，增大电压后迅速扩大信号强度。根据神经营养因子(BDNF)的假设，个体学习和认知能力的提高源于神经系统内各参数的变化(如毛细血管的增长和密度增大、突触的联结等)。动物研究表明，有氧运动训练能增加源于大脑内部的神经营养因子以及其他的生长因子，而这些因子又能够增加毛细血管在大脑皮层上的供给量、新神经和突触，从而使个体在学习和执行任务表现上更加出色。也就是说，运动不仅激励着我们的身体获得动力，同样也激励着大脑，而在这些神经递质的共同作用下，运动能为学习做出更好的准备，并促进干细胞的分化，为形象地展现出身体与大脑的联结，提升记忆和学习能力。

2.2 认知机制执行功能假设

近年来，有研究者提出了执行功能假设，用以解释运动提升儿童学业成就的潜在机制。该假说认为，有氧运动的影响作用并不是对个体低级水平的知觉，或者自动化的认知过程产生的，而是影响着个体更高级、更复杂的认知能力，即执行功能，使人类表现出适应性、目标导向的行为。执行功能是负责组织和控制目标导向行为的认知过程的总称，包括复杂的、非自动化的过程，协调着个体在目标导向行为中的低级认知过程。位于前额叶皮层的神经回路对于执行功能是十分重要的，而运动时恰好能激活这个脑区，使得个体在与执行功能相关的任务上取得更好成绩。同样，以儿童为对象的研究也得出了一致的结论，即短时有氧运动对儿童的执行功能有着积极的影响。如有研究者对小学生每天的日常体育活动时间进行研究，发现运动量大的儿童比那些久坐不动的儿童的执行功能发展更好，这可能是由于爱运动的儿童会有更多机会控制他们的活动与行为;体育运动不仅对正常儿童的执行功能有着促进作用，对执行功能异常的儿童也具有改善作用。如通过对患有注意力缺陷的儿童进行运动干预，发现他们在后测的执行功能任务(伦敦塔、数字广度任务)的表现上得到了显著改善。同样，Davis对超重儿童的研究也得出类似的结论。执行功能需要一个较长时间的发展时间表，在青少年时期或成年早期的某个时间点发展成熟，主要包括抑制控制、认知灵活性和工作记忆3 个子成分，对儿童的学业成就有着非常重要的影响。例如，在抑制控制中，需要个体先筛选出不相关的环境信息，推翻优势反应并停止正在进行的反应，这些能力则是我们注意和动作控制的核心能力;认知灵活性则是指在快速变换的情景下重构知识信息的能力;工作记忆是个体应对学习和认知挑战时短暂储存并有效管理信息的能力。因此，执行功能与学习之间的关系非常密切，如果小学生具有良好的执行功能，不仅可以帮助他们有效地计划、管理、实施多项任务，还能增强他们对社会环境的适应能力，约束自身的行为，遵守社会规范，并促进其学业进步，如有研究发现执行功能好的儿童在数学、英语、写作和阅读上表现更加优秀，还有一些干预研究同样发现增加体育运动对儿童的执行功能和工作记忆有显著的积极影响，其中Diamond 等还对4~12 岁的儿童进行了各类运动项目的比较，发现武术、瑜伽和有氧运动均能有效地促进儿童执行功能，这些项目都可以融入学校的体育课程之中，以更好地促进学生的学业成就。新近的一项研究直接考察了执行功能的中介效应，结果发现执行功能的确在儿童的体适能与学业成就之间发挥着中介作用。

2.3 社会心理机制自我效能感理论

班杜拉认为，行为原因的中心机制是自我效能感，它影响着个体的情绪、思维和行为等过程，并由此提出了可应用于不同领域的自我效能理论。运动心理学研究发现，运动对个体的自我概念和自我效能感具有积极的影响效应，可以为那些少有成功经历的儿童提供重建积极的自我概念的机会。例如，实证研究发现，许多体育运动的方式均与自我效能之间存在着密切联系，体育活动与自我效能感间存在着最强、最稳定的关联。吕晓昌等，对5 780 名中小学生进行为期12 周中等强度运动训练(篮球、健绳操、轮滑)，发现经过训练后他们的身心健康有显著提升，体型适中的学生一般性格开朗，也就有着更高的自我效能感，成绩也更加优秀，因为他们总是自信地认为自己能够胜任该做的事。Petty 等针对207 名7~11 岁超重儿童每天的运动剂量进行分组研究，运动组儿童可在每天放学之后随意选择跳绳、跑步、篮球、足球等运动项目并在专门的体育场地进行锻炼，保持运动时心率达到150 b/min 以上(低剂量组为20 min 运动和20 min 安静活动，如绘画、纸牌游戏等，高剂量组为40 min 运动)，整个项目持续13 周，发现抑郁症状的表现从控制组到低运动剂量组再到高剂量组显著线性下降，而自我价值感则作为中介变量起作用，即通过运动能让儿童提升自我价值感从而减轻抑郁症的表现。最近的一项元分析表明，体育运动对儿童的自我效能有着积极的影响(d=0.16)，会让儿童对自己体型更加满意，得到他人更多的称赞，从而认为自己更具价值和吸引力。有关学习领域的研究中，自我效能感的水平常常可以预测学生的学业成就水平。因而，可以通过运动来提升儿童的自我效能感，从而使其在学业成绩上有更加优秀的表现。

3 未来的研究

国民素质是国家综合国力的重要体现，也是国家社会经济发展的基础。体育运动作为一种提高国民素质的有效手段，其重要性亟待普及。目前，国内外大量的实证研究均已证明，中等强度的有氧运动，尤其是需要认知参与的中等强度的有氧运动有利于儿童的认知功能的发展和学业成就的提升。体育运动对儿童心理发展的影响已经取得了一些一致性的结论，但该领域依然存在一些亟待解决的关键问题：首先，需要深入考察运动与儿童心理发展的剂量效应。目前剂量效应的研究主要包括运动项目、运动强度、持续时间和运动频率，如探讨不同运动类型对儿童学业成绩的影响。一些探索性的证据表明，并不是所有类型的运动都可以同等程度地改善儿童的认知发展。近期的一些研究发现，有氧跑步能增加儿童的认知灵活性和创造力，同样还能显著提升学习成绩，那些接受身体素质训练的儿童工作记忆的提升更快，而参与瑜伽的儿童注意力和感知觉会得到显著提升，进行跆拳道训练的儿童则在抑制控制上发展更好。运动心理学家还在继续探索运动的类型与儿童认知发展之间的关系，但这个领域还充满着未知和挑战，尤其需要对我国传统的运动项目，对学生认知发展和学业成就的影响进行深入探讨。此外，如果运动与其他教育干预方法联合使用，会更加有效地促进儿童大脑的发展，存在着1+12 的效果。因此，未来研究的焦点问题是，结合我国不同年龄阶段儿童的身体素质，开发适合我国儿童的体育运动方案。其次，考察人群特征在当中所起的调节作用。就运动本身而言，它对儿童心理发展的影响可能是积极的，也可能是消极的，其效果主要是由运动方案的各构成要素和儿童自身的个体差异所决定。也就是说，如果某一运动项目对儿童身心发展是无效的，则需要思考到底是这个运动项目本身无效，还是由于参与者自身的原因所致。Ellis发现，智商处于低水平的儿童能够从运动干预中获益最大;大量体育运动的研究都发现，女生通过运动提升学业成绩的效果更加明显;而从年龄上来说，执行功能的多个方面遵循着不同的发展轨迹，婴儿出生15 个月左右就能完成复杂一些的工作记忆(如更新和操纵信息)，简单反应抑制大约发生在1 岁末期，而认知灵活性是最为复杂的执行功能成分，建立在前两者之上，约2.5 岁儿童才能在不同维度间进行转换，因此运动对执行功能的影响会随着年龄的不同而不同。而现在，研究者们还没有对社会心理或生物因素进行系统的操控，未来的研究需要将这些潜在的心理社会因素对观测指标的影响分离开，或许可以形成一个运动对认知影响的模型，用于阐释文献中的分歧，并鉴别潜藏于运动和认知之间可能的机制。再次，加强对患有认知或行为障碍的儿童的运动干预和治疗。例如，对于超重的儿童来说，运动理所当然是其最佳的干预方式。人类已经习惯于规律性的体育运动，肥胖儿童的身体不适、学习困难实际上是因为他们缺乏运动而非自身体重过重，目前大量研究都表明运动可以提升超重儿童的执行功能和学业成就。同样，国外研究发现体育运动还能改善ADHD 儿童的多动症状，减轻或预防儿童一系列的认知或行为障碍，如焦虑、恐惧、抑郁、成瘾行为等。运动具有低成本、易开展和无副作用等明显的优点，未来研究可考虑如何采用运动干预的方式改善或预防儿童的认知或行为障碍。

最后，在研究设计方面需采用纵向设计，以考察运动对儿童发展的长时效应。关于运动与儿童发展的研究设计有两种，一种是横断研究考察短期有氧运动对儿童执行功能的即时效应，另一种是纵向研究考察长期的有氧训练对儿童执行功能发展的长时效应。我国关于运动与儿童发展的研究，多采用横断研究探讨运动的即时效应，鲜有研究像芝加哥内珀维尔的零点体育课，未来研究可以采用追踪范式探讨运动对儿童发展的长时效应。此外，运动与儿童发展这一研究领域在未来必须考虑多元化的交叉学科的研究，主要包括发展心理学、运动机能学和认知神经科学等学科。未来研究中的多学科取向，可以让我们清晰地考究有氧运动如何在几个不同水平上引起有机体的变化，包括大脑结构和功能的变化，以及这些变化又如何影响着个体的认知和行为，让人类对运动的效应产生一个更广泛、更深入的理解。