溫 煦

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體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的影響：研究的歷史、現(xiàn)狀與未來

溫 煦

體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的相關(guān)研究可以追溯至20世紀50年代，進入21世紀以后，在認知神經(jīng)科學相關(guān)理論和研究方法的影響下，涌現(xiàn)了一批令人矚目的研究成果。目前，大部分研究認為，適量的體育鍛煉有助于改善青少年認知能力，提高其學業(yè)表現(xiàn)。但是，體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的作用機制、體育鍛煉與認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的量效關(guān)系等一系列關(guān)鍵問題仍有待進一步研究。

體育鍛煉;認知能力;學業(yè)表現(xiàn);認知神經(jīng)科學

前言

國務院頒布《全民健身計劃綱要》至今已有20年，然而，我國青少年體育鍛煉不足的問題依然嚴峻，中國學生家長和學校重視學生智力發(fā)展而輕視體育鍛煉的情況并未有根本改觀。其原因可能有：第一，中國傳統(tǒng)文化重文輕武，輕視體育鍛煉的作用；第二，家長和學校普遍擔心體育鍛煉影響學業(yè)，但是學術(shù)界缺乏有力的證據(jù)證明體育鍛煉對青少年的認知能力和學業(yè)表現(xiàn)具有促進作用[2]。

縱觀體育鍛煉與青少年認知能力、學業(yè)表現(xiàn)的相關(guān)研究的歷史，自20世紀50年代陸續(xù)有零星論文發(fā)表。進入21世紀以后，隨著神經(jīng)科學相關(guān)研究方法和技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地推動了認知神經(jīng)心理學的興起，相關(guān)論文數(shù)量呈爆發(fā)性增長[51](圖1、圖2)。神經(jīng)科學領(lǐng)域中的腦電成像(Electro-encephalograph,EEG)、腦磁成像(Magneto-encephalograph,MEG)和功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等技術(shù)的應用，有助于研究者們觀測在認知過程中大腦的活動，研究人類大腦學習和記憶的工作機制，為揭示大腦 “黑箱”提供了寶貴的研究技術(shù)[2,11]。借助于認知心理學理論的發(fā)展和神經(jīng)科學技術(shù)手段的進步，近年來，體育鍛煉與青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的相關(guān)研究取得了巨大突破，已經(jīng)引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注[1，7，8，28]。更值得注意的是，目前，大部分研究結(jié)果與我國傳統(tǒng)觀念恰恰相反，體育鍛煉非但對青少年的學業(yè)表現(xiàn)沒有負面影響，還能在一定程度上幫助青少年改善認知能力，提升學業(yè)表現(xiàn)[47,49,71,72]。這些研究結(jié)果無疑將有利于我國全民健身計劃的宣傳和實施，也為我國陽光體育運動的開展提供了新的思路和方法。

本研究旨在梳理國內(nèi)、外關(guān)于體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響研究的歷史脈絡，介紹相關(guān)的研究理論與技術(shù)，總結(jié)國內(nèi)、外相關(guān)研究的結(jié)果，以期為我國相關(guān)研究的開展和相關(guān)政策的制訂提供借鑒。

圖1 1954—2012年國際上關(guān)于體力活動與青少年學業(yè)表現(xiàn)相關(guān)研究文獻數(shù)量示意圖Figure 1 The Number of International Studies on Physical Activity and Academic Achievement in Ahildren from 1954 to 2012

注：圖表數(shù)據(jù)引自參考文獻[51]，圖2同。

圖2 1954—2012年國際上關(guān)于體力活動與青少年認知能力相關(guān)研究文獻數(shù)量統(tǒng)計示意圖Figure 1 B.The Number of International Studies on Physical Activity and Cognitive Function in Children from 1954 to 2012

1 1950—1999年體育鍛煉與認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的相關(guān)研究

在早期的體育鍛煉與學業(yè)表現(xiàn)的研究中比較有代表性的是20世紀70年代中期，在加拿大魁北克地區(qū)進行的一項對小學生從一年級到六年級的長達6年干預研究。干預組每周進行5 h體育鍛煉，而對照組每周只有40 min體育課。研究發(fā)現(xiàn)，從2年級到6年級，干預組學生的學習成績都優(yōu)于對照組[68]。另一項來自澳大利亞的研究則對5～6年級的小學生進行了14周的體育鍛煉干預，干預組學生每個上學日參加75 min體育鍛煉，而對照組只參加每周3次，每次30 min的體育課。研究顯示，干預組學生的心肺耐力、身體成分、血脂、血壓等健康指標均優(yōu)于對照組，但是，在課程績點上，兩組的差異不具有顯著性[38]。研究者指出，干預組在每天比對照組減少至少45 min課程學習時間的情況下，在學習成績上仍然與對照組相當，提示規(guī)律的體育鍛煉可能仍對學生學習存在積極作用。進入20世紀90年代以后，以色列學者針對幼兒園和小學一年級兒童進行的長達1年的干預研究也發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉有助于兒童提升閱讀和算術(shù)能力[65]。美國著名學者James Sallis開展了旨在提高青少年體質(zhì)健康水平的SPARK干預項目，對759名青少年進行了為期2年的體育鍛煉干預。該研究也關(guān)注了體育鍛煉對青少年學業(yè)成績的影響，結(jié)果雖然未發(fā)現(xiàn)體育鍛煉對青少年學業(yè)成績的積極影響，但也沒有任何負面影響[67]。

智商作為影響青少年學業(yè)表現(xiàn)的重要因素之一，也是早期研究比較關(guān)注的領(lǐng)域。在20世紀60年代，一批學者探討了體育鍛煉對青少年智商的影響。最初的研究來自于對智障兒童的體育鍛煉干預，期望體育鍛煉能夠提高智障兒童的智力水平。如Corder等人讓8名12～16歲智障青少年進行了20天平衡和協(xié)調(diào)性練習，但是，該研究未能證明體育鍛煉有助于提高青少年智商[32]。一年后，另一項以普通青少年為受試對象的研究發(fā)現(xiàn)，參加1學年每天體育鍛煉干預的受試學生并沒有比未參加體育鍛煉的學生在智力水平上有更大的進步[52]。不過，另一項研究則發(fā)現(xiàn)，6周力量訓練能夠一定程度上提升智障青少年的智商[22]。有學者認為，一些研究并未發(fā)現(xiàn)體育鍛煉提升學生智力水平的主要原因是，這些研究采用的智商測試是整體智力水平測試，并不能測量學生在某些認知能力上的改變[71]。

綜上所述，從20世紀50年代到2000年前后，有一批研究者開始關(guān)注體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的影響。在這一時期，研究設計的種類非常豐富，包括橫斷面調(diào)查、干預研究以及隨機對照實驗研究，也涌現(xiàn)了一批有影響的高質(zhì)量研究。但是，總體而言，這一時期的研究還存在一些不足：1)研究基本上仍是單一學科的零星研究，且研究的理論體系不夠完善，尚未取得重大的理論突破；2)研究手段比較單一，大部分研究的測量手段仍局限于傳統(tǒng)認知心理學的問卷測試和標準化的學業(yè)表現(xiàn)測試；3)混雜因素的控制欠佳。早期的大部分研究沒有很好地控制社會經(jīng)濟地位、體重指數(shù)(BMI)、體質(zhì)健康水平、父母參與度等混雜因素的影響，直到1990年后，大部分研究才對混雜因素進行了必要的控制[25]。雖然2000年以前的研究存在著各種各樣的不足，但是仍對后期的研究產(chǎn)生了深遠的影響。大部分研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉可能對認知能力和學業(yè)表現(xiàn)有積極影響，但是也有一些研究結(jié)果則顯示，體育鍛煉對青少年的整體認知能力和學業(yè)表現(xiàn)作用不明顯[71]?？傮w而言，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的研究在1950—1999年的這個時期內(nèi)，研究數(shù)量上從無到有，研究方法上日趨完善，研究質(zhì)量有明顯提升，并且初步論證了體育鍛煉對青少年學業(yè)表現(xiàn)和認知能力的積極作用。

表1 1950—1999年體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的代表性研究一覽表Table 1 Representative Studies on Influence of Physical Exercise on Cognitive Function and Academic Performance in Children in 1950—1999

2 2000年以后體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的研究進展

進入21世紀以來，神經(jīng)科學技術(shù)飛速發(fā)展，這些技術(shù)與醫(yī)學、生物學、社會學、教育學和心理學等多個學科理論有機結(jié)合，孕育了認知心理生理學、認知神經(jīng)生物學、計算神經(jīng)科學等一大批交叉學科，極大地開拓了各個學科的發(fā)展[5，18，42]。伴隨著認知心理學基礎(chǔ)理論的發(fā)展演進和神經(jīng)科學技術(shù)的應用，認知神經(jīng)心理學應運而生，認知心理學也在21世紀初進入了一個嶄新的發(fā)展時期[11,13]。在這一大背景下，認知心理學的相關(guān)理論和神經(jīng)科學的先進技術(shù)被引入體育鍛煉與青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的相關(guān)研究中來[7]。如果說2000年以前體育鍛煉與青少年學業(yè)表現(xiàn)相關(guān)研究還是一些單一學科的、零星的、不成系統(tǒng)的研究，那么，2000年以來的相關(guān)研究則表現(xiàn)出體育科學、心理學、神經(jīng)科學等多學科共同參與，研究的數(shù)量呈爆炸性增長，研究的理論和方法更加豐富，研究成果也更加豐碩等特點。

2.1 具身認知理論的影響

體育鍛煉影響青少年學業(yè)表現(xiàn)的一些早期研究是源于對喚醒理論的探索，2000年以后的一些相關(guān)研究，則受到了具身認知(Embodied Cognition)理論的影響。近年來，以具身性和情境性為重要特征的第2代認知科學日益受到重視，推動認知神經(jīng)科學進入了新的發(fā)展階段[8]。傳統(tǒng)的認知心理學深受計算機科學的影響，認為認知是信息的表征和操控，類似于計算機的符號加工。在這種研究范式下，認知被認為是可計算的，也是離身的(disembodied)，即獨立于包括大腦在內(nèi)的身體。不過，學術(shù)界從未停止質(zhì)疑認知過程的計算機隱喻。哲學家們反對心物二元論，強調(diào)認識的主體與世界具有不可分離的特性。隨后，具身認知的相關(guān)理論逐漸被心理學家所認同，并通過應用ERP、fMRI等認知神經(jīng)科學技術(shù)在心理學實驗中加以論證和發(fā)展[14]。目前，具身認知已經(jīng)成為心理學中一個研究熱點，“是當代西方心理學中一股洶涌澎湃的實證研究思潮”[15]。具身認知理論認為，“身體及其感覺運動系統(tǒng)在認知過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，認知是通過身體及其感覺運動系統(tǒng)的活動方式而形成的”[13]。與傳統(tǒng)認知心理學的符號加工模式不同，具身認知強調(diào)身體的構(gòu)造和狀態(tài)、身體的物理屬性及其大腦與身體的特殊感覺——運動通道對認知具有的塑造作用[16]。比如，有研究發(fā)現(xiàn)，緊握拳頭有助于提升男性的堅定、自信和自尊等心理品質(zhì)，而握拳的身體姿勢改變了男性的自我概念[67]。因此，具身認知理論的發(fā)展為體育鍛煉與認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的研究奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

2.2 認知神經(jīng)科學相關(guān)研究方法的應用

方法的進步是推動研究發(fā)展的重要動力。在2000年以前，體育鍛煉影響認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的主要研究方法是問卷調(diào)查。隨著近年來神經(jīng)科學和心理學相關(guān)研究技術(shù)的應用，體育鍛煉影響認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的相關(guān)研究取得了重要突破。目前，應用于本領(lǐng)域研究的主要神經(jīng)科學研究技術(shù)包括：

2.2.1 醫(yī)學影像學技術(shù)

在醫(yī)學影像學技術(shù)應用以前，人們對大腦的認識主要來自尸體解剖和大腦局部損傷患者的個案研究。隨著計算機斷層掃描CT和核磁共振MRI技術(shù)的發(fā)展，研究者可以無損傷地研究大腦的內(nèi)部形態(tài)和結(jié)構(gòu)。有研究者將MRI成像技術(shù)應用于體育鍛煉與青少年認知能力的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)體育鍛煉可能會改變大腦的某些與認知功能相關(guān)部位的形態(tài)和結(jié)構(gòu)[29]。

2.2.2 腦電成像和腦磁成像技術(shù)

CT和MRI能夠展示的是大腦的結(jié)構(gòu)，但是，更具有研究意義的是大腦功能發(fā)生變化的區(qū)域和特征。因此，腦電成像EEG和腦磁成像MEG被引入測量大腦活動時電磁信號從而研究大腦功能的動態(tài)變化。EEG可以通過在頭皮表面放置記錄電極，記錄大腦活動時的頭皮表面的電信號。而MEG則是通過超導量子干涉裝置記錄大腦活動時的頭皮外磁信號。在體育鍛煉和青少年認知能力相關(guān)研究中，由于認知活動產(chǎn)生的腦電信號比自發(fā)的腦電信號弱得多，認知活動產(chǎn)生的腦電信號容易被自發(fā)的腦電信號所掩蓋而不易觀察。研究者們常常應用事件相關(guān)電位技術(shù)ERP。ERP是腦電成像技術(shù)的一種，它應用計算機多次疊加的相關(guān)技術(shù)，可以將認知刺激引起的腦電信號從復雜繁多的腦電信號中提取出來[10]。但是無論是EEG或是MEG都是基于放置于頭皮處的感應器信號，因此，對大腦各部位定位的空間分辨率還比較差。

2.2.3 功能磁共振成像技術(shù)

近年來，在MRI技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展形成了功能磁共振成像技術(shù)(functional magnetic resonance imaging,fMRI)。磁共振信號與血液中含氧量有關(guān)，因此，測量大腦活動時大腦各部分血流中含氧量的變化，就可以間接反映相對應的神經(jīng)細胞活動的變化，fMRI正是基于這種原理發(fā)展而來。fMRI作為一種功能腦成像技術(shù)，克服了EEG空間分辨率比較差的缺點，可以檢測大腦功能活動發(fā)生部位血流變化情況，從而了解大腦高級功能的發(fā)生部位和特征，因此，fMRI是目前認知神經(jīng)科學研究的重要技術(shù)之一[7,9,10]。

2.2.4 其他相關(guān)技術(shù)

正電子發(fā)射斷層現(xiàn)象技術(shù)(Positron Emission Computed Tomography,PET)是目前臨床上比較先進的核醫(yī)學檢查技術(shù)。PET把發(fā)射正電子的核素標記的化合物注入人體，進入腦部，而在體外測量正電子湮滅發(fā)射的γ射線從而獲得這種標記物在大腦內(nèi)分布的斷層圖像。PET技術(shù)具有較好的空間分辨率，不過時間分辨率較差，且具有一定的放射性。其他的相關(guān)技術(shù)還包括單光子發(fā)射計算機斷層顯像技術(shù)SPECT，近紅外譜技術(shù)NIRS和光學相干層析成像技術(shù)OCT。這些技術(shù)發(fā)展非常迅速，有可能在未來成為體育鍛煉與青少年認知能力相關(guān)研究的重要研究工具。

2.3 2000年以后體育鍛煉影響青少年學業(yè)表現(xiàn)橫斷面調(diào)查研究的現(xiàn)狀

進入2000年以來，許多國家和地區(qū)針對青少年的體育鍛煉(或體力活動)和學業(yè)成績進行了橫斷面調(diào)查研究。由于影響學業(yè)表現(xiàn)的混雜因素較多(如家庭社會經(jīng)濟地位、父母的教育程度等)，在研究中需對這些混雜因素進行必要的控制，因此，大部分此類橫向調(diào)查樣本量較大。總體而言，大部分研究發(fā)現(xiàn)，青少年的體育鍛煉水平(或體力活動水平)與青少年的學業(yè)表現(xiàn)呈比較弱的正相關(guān)[39,58,62]。不過也有部分研究結(jié)果顯示，青少年的體育鍛煉水平與學業(yè)成績不相關(guān)甚至呈負相關(guān)[73,75]。這種矛盾的研究結(jié)果可能源于兩方面：第一，研究設計中對混雜因素控制效果不同造就了不同的研究結(jié)果；第二，此類橫向調(diào)查測量工具一般為主觀性較強的調(diào)查問卷，測量工具不同的信效度水平影響了研究結(jié)果。

2.4 短時間體育運動對青少年認知能力的影響

隨著具身認知理論不斷發(fā)展和ERP、fMRI等神經(jīng)認知科學研究技術(shù)被引入神經(jīng)認知心理學研究中，測量大腦功能的即時變化不再困難。因此，一些研究者開始關(guān)注短時間體育鍛煉對青少年認知能力的影響。這里的短時間體育運動一般是指1 h以內(nèi)的體育活動。如Budde等人研究發(fā)現(xiàn)，一組10 min既鍛煉身體又鍛煉頭腦的協(xié)調(diào)性練習有助于提升兒童青少年的專注力和注意力[24]。另一項研究則讓兩組兒童分別進行靜態(tài)的電子游戲和需要結(jié)合運動的電子游戲，其后比較了兩組兒童的執(zhí)行功能(executive function)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組兒童執(zhí)行功能有差異，提示“手腦并用”的游戲可能有助于提升兒童的執(zhí)行功能[21]。Pesce等人的研究對52名11～12歲健康兒童分別進行了基線測試，并在1 h集體游戲和1 h循環(huán)訓練后測試了即時記憶和延時記憶。該研究認為，以群體活動為主的集體游戲和以獨立活動為主的循環(huán)訓練對于兒童的社交能力和認知能力影響有所不同。研究結(jié)果也顯示，參加完循環(huán)訓練后的延時記憶與基線測試相比有提高，而參加集體游戲后效果更佳，即時記憶和延時記憶與基線測試相比都有所提高[63]。

表2 2000年以后體育鍛煉與青少年學業(yè)表現(xiàn)的代表性橫斷面研究一覽表Table 2 Representative Cross-sectional Studies on Physical Exercise and Academic Performance in Children after 2000

在我國，本領(lǐng)域的研究起步較晚。直至2010年前后，陳愛國、殷恒嬋等學者開始關(guān)注一次30 min有氧運動對青少年執(zhí)行功能的影響。研究也發(fā)現(xiàn)，一次30 min中等強度有氧運動能夠誘發(fā)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的變化，提示短時間中等強度有氧運動可能有助于改善兒童的執(zhí)行功能[3]。該研究團隊的另一項研究還發(fā)現(xiàn)，不同強度的短時有氧運動能夠?qū)?zhí)行功能產(chǎn)生選擇性的積極影響，且這種效應不受性別影響[4]。

表3匯總了2000年以后短期體育鍛煉對青少年認知能力影響的代表性研究。除了少部分研究發(fā)現(xiàn)短期的體育鍛煉對青少年認知能力沒有明顯影響外，大部分研究均認為，即使是短時間的體育鍛煉，也有助于改善青少年的認知能力。

表3 2000年以后短期體育運動對青少年認知能力影響的代表性研究一覽表Table 3 Representative Studies on Effect of Acute Physical Exercise on Cognitive Function in Children after 2000

2.5 長期體育鍛煉對青少年認知能力的影響

由于可供青少年選擇的運動方式非常多，不同的研究選擇的干預方式往往千差萬別，體育鍛煉干預的形式包括平衡訓練、協(xié)調(diào)性訓練、力量訓練、有氧訓練等等。長期體育鍛煉一般是持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的體育鍛煉干預。因為一般干預時間較長，相關(guān)研究的組織實施難度比較大，要取得理想的干預效果非常不容易。因此，相對于短期體育運動的研究，長期體育鍛煉影響青少年認知能力的研究數(shù)量不算多，高質(zhì)量研究則更少。

Donnelly等人對堪薩斯東北部的26所小學1 527名2年級和3年級青少年進行了為期3年的干預研究[37]。運動干預的方案是每周在上學日增加90 min中高強度體力活動。研究發(fā)現(xiàn)，干預組的青少年的體力活動水平顯著提高，認知能力測試得分和學業(yè)表現(xiàn)優(yōu)于對照組青少年，且差異具有顯著性。有研究將171名7～11歲的超重青少年分為每天20 min運動干預組、40 min運動干預組和對照組，干預進行了約13周。研究采用標準化的心理測試評估認知能力和學業(yè)表現(xiàn)，并通過功能性磁共振成像(fMRI)觀察青少年在做心理測試時的大腦活動所引發(fā)的血液動力改變。研究發(fā)現(xiàn)，干預組青少年的執(zhí)行功能和數(shù)學成績均有所提高，提示長期運動干預有助于提升青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)[34,35]。另一項研究，則對23名8～9歲兒童進行了9個月每周5天每次至少60 min的體育鍛煉干預，通過fMRI發(fā)現(xiàn)右額葉前部的激活水平下降，注意力和抗干擾表現(xiàn)有所改善[27]。最近的一項研究則將8～11歲超重兒童分為有氧訓練組(24人)和對照組(19人)，運動干預進行了8個月。該研究的fMRI測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運動組在大腦的中央前回、后頂葉皮層等區(qū)域的激活水平下降，而在大腦的前扣帶皮質(zhì)和額上回等區(qū)域的激活水平升高[54]。該研究提示，體育鍛煉干預對不同的認知能力測試和大腦的不同區(qū)域的影響不一致。我國長期體育鍛煉對青少年認知能力影響的相關(guān)研究比較少。2014年，學者殷恒嬋等人采用兩種不同的運動干預方案對326名小學生進行了為期20周的干預。該研究發(fā)現(xiàn)，兩種運動方案均能夠改善小學生的執(zhí)行功能，且隨干預時間增加，效果更為顯著[17]。

總體而言，雖然長期體育鍛煉影響青少年認知能力的研究數(shù)量不多，但是研究質(zhì)量比較高。大部分研究認為，長期體育鍛煉能夠不同程度地改善青少年的認知功能。不過，由于體育鍛煉干預的運動方式。運動強度和運動時間均有所不同，認知能力的概念比較廣，許多研究的側(cè)重點各有不同，難以進行比較和綜合。當前的研究仍不足以確定長期體育鍛煉與青少年認知能力的量效關(guān)系，這一關(guān)鍵的研究問題仍有待后續(xù)深入研究。

表4 2000年以后長期體育鍛煉對青少年認知能力影響的代表性研究一覽表Table 4 Representative Studies on Effect of Chronic Physical Exercise on Cognitive Function in Children after 2000

有學者總結(jié)了近年來關(guān)于短期和長期體育鍛煉對青少年執(zhí)行功能影響的相關(guān)研究，大部分研究發(fā)現(xiàn)，短期和長期的有氧訓練均有助于提升兒童青少年的執(zhí)行功能。不過，不同形式的有氧運動鍛煉對青少年執(zhí)行功能的積極效益并不是相等的，而且，體育鍛煉對于兒童青少年各種認知能力的影響也存在差異，即既鍛煉認知能力又鍛煉身體的運動形式可能比純粹的體育鍛煉更有利于提升兒童青少年的執(zhí)行功能[20]。

2.6 青少年體質(zhì)健康與認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的關(guān)系

因為長期對青少年的體育鍛煉進行干預的操作難度較大，且不易控制，所以，許多研究轉(zhuǎn)而研究受長期體育鍛煉影響較大的體質(zhì)健康水平，特別是有氧耐力對青少年學業(yè)表現(xiàn)的影響。

表5 2000年以后體質(zhì)健康與青少年認知能力相關(guān)性研究代表性研究一覽表Table 5 Representative Studies on Association between Physical Fitness and Cognitive Function in Children after 2000

3 體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的機制研究現(xiàn)狀

3.1 體育鍛煉影響青少年認知能力的可能生物學機制

雖然大部分研究都認為，適量的體育鍛煉能夠改善青少年的認知能力，但目前還不能很好地揭示運動促進認知能力的機制。有一些研究總結(jié)了目前研究的幾種可能機制[12，28]：1)運動可以改善乙酰膽堿、多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)的合成和分泌，激活傳導通路，提高突觸傳遞效能，從而促進學習記憶功能的發(fā)展；2)運動能夠增加胰島素樣生長因子-1(IGF-1)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)等神經(jīng)生長因子的釋放，從而促進學習記憶功能的發(fā)展[6]；3)體育鍛煉還可能通過影響糖皮質(zhì)激素的釋放來提升學習記憶表現(xiàn)；4)體育鍛煉可以通過增強與學習記憶相關(guān)腦區(qū)的基因表達、神經(jīng)生長、相關(guān)腦區(qū)血管生長來提升認知能力[31]；5)體育鍛煉可能通過改善腦組織抗氧化能力，保持和提高認知能力。

總而言之，體育鍛煉對認知能力相關(guān)的大腦區(qū)域的神經(jīng)遞質(zhì)、激素、神經(jīng)生長因子、神經(jīng)發(fā)生和氧化還原狀態(tài)的影響均可能參與了體育鍛煉提升認知能力的機制中，具體的生物學機制仍有待深入研究。

3.2 體育鍛煉影響青少年學業(yè)成績的可能機制

最近10年的研究中，有一些學者提出體育鍛煉可能并不是直接影響青少年的學業(yè)表現(xiàn)，而可能通過一個或幾個中介變量對學業(yè)表現(xiàn)產(chǎn)生影響。最早被學者們關(guān)注的中介變量是體質(zhì)健康因素。有研究發(fā)現(xiàn)，青少年的數(shù)學成績、閱讀能力與心肺耐力、體脂率存在相關(guān)，提示青少年的體適能水平可能與認知能力、學業(yè)成績有關(guān)[15]；還有研究發(fā)現(xiàn)，青少年的體重水平與認知能力存在相關(guān)[57]。另一項研究系統(tǒng)則總結(jié)了26項關(guān)于青少年智商和肥胖程度的研究，發(fā)現(xiàn)青少年智商可能與肥胖程度呈負相關(guān)[76]。學者們推測，作為改善青少年體質(zhì)健康水平最重要手段之一的體育鍛煉，可能可以通過提高青少年的體質(zhì)健康水平，從而提升其認知能力和學業(yè)表現(xiàn)。還有研究采用加速度計測量了401名學生連續(xù)3天的體力活動水平，通過標準測試測量了其閱讀、拼寫和數(shù)學的學業(yè)成績，通過路徑分析研究證實體力活動可以通過影響有氧耐力進而影響青少年的數(shù)學成績，但是，這種中介效應并沒有在閱讀和拼寫成績上得到體現(xiàn)[56]。不過一項來自瑞典的研究發(fā)現(xiàn)，女生的學業(yè)成績與高強度體力活動有關(guān)，但是，體質(zhì)健康并非兩者的中介變量，而男生的數(shù)據(jù)則顯示，體質(zhì)健康與學業(yè)成績相關(guān)，但是，數(shù)據(jù)也不支持體質(zhì)健康作為中介變量[55]。

來自心理學的研究還提示，體育鍛煉與自我效能、自尊等心理因素有關(guān)，而這些心理因素又可能影響青少年的學業(yè)表現(xiàn)[36]?；谇叭搜芯康幕A(chǔ)，Tomporowski等學者假設了一個理論模型(圖3)[72]。根據(jù)該模型，體育鍛煉影響青少年學業(yè)表現(xiàn)的路徑可能是比較復雜的，體育鍛煉可以直接影響認知能力和學業(yè)表現(xiàn)，也可以通過體質(zhì)因素、健康因素、心理社會因素等中介變量施以影響。同時，性別、年齡、家庭社會經(jīng)濟地位、文化等因素還可以作為調(diào)節(jié)變量影響兩者的關(guān)系?？傮w而言，該模型比較系統(tǒng)地匯總了可能的作用機制，但是該理論模型仍有待今后的研究予以驗證和修訂。

圖3 體育鍛煉影響青少年學業(yè)表現(xiàn)的理論模型[72]Figure 3 A theoretical Model of the Effect of Physical Exercise on Academic Performance in Children

還有一些研究認為，體育鍛煉能夠改善青少年在課堂上的行為表現(xiàn)，從而提升學業(yè)成績。比如，有研究通過教室內(nèi)的體力活動對小學生進行了干預，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小學生不僅增加了體力活動水平，還提高了注意力水平[60]。另一項研究創(chuàng)新性地在學科課程中融入了體力活動(Physically Active Academic Lessons)，這種新型的課程被發(fā)現(xiàn)能增加學生在課堂中的注意力[45]。最近的一項研究則比較了小學生在課間進行高強度體育運動和不進行體育運動對課堂表現(xiàn)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在課間進行體育活動后，小學生上課時開小差(講閑話、做小動作等)的比例出現(xiàn)了較為明顯的下降[59]。該研究證明了高強度的體育運動能夠改善青少年的課堂行為表現(xiàn)，這也可能是體育鍛煉改善學業(yè)成績的可能途徑之一。

4 目前研究的不足及對未來研究的展望

回顧體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)相關(guān)研究的歷史，半個多世紀以來，研究初步證明了體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的積極作用，也提出了多種可能的作用機制。不過，相關(guān)研究仍存在諸多不足，未來需要繼續(xù)努力的可能有以下幾個方面：

1.目前，對于體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的研究仍比較零碎，缺乏系統(tǒng)研究。人類認識外界事物的過程本身是復雜多樣的。認知心理學的領(lǐng)域包括：感覺/知覺、模式識別、注意、意識、記憶等多方面。那么，體育鍛煉會影響青少年認知過程的哪一個部分，又是如何對認知進行影響？目前的研究只是對認知過程中的某一個或某幾個方面進行了初步探索?？傮w而言，研究仍是比較零碎、缺乏系統(tǒng)性的“管中窺豹”，需要由點帶面地將當前研究的不斷拓展，才能逐漸厘清體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的全貌。

2.目前，對于體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的研究處于初級階段，有待于進一步深入。人類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)比人類已知的任何系統(tǒng)都更復雜。認知神經(jīng)科學本身也是一個方興未艾的交叉研究領(lǐng)域。研究者對許多關(guān)鍵的研究問題，比如體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的作用機制的認識還非常有限。因此，未來需要研究的問題非常多，研究空間非常大。

3.體育鍛煉與認知能力提升的量效關(guān)系是今后對青少年進行體育鍛煉干預的重要基礎(chǔ)。不過，當前對于兩者量效關(guān)系的研究還非常薄弱，有待于進一步加強。

4.近年來，體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的研究取得的進步，主要源于認知神經(jīng)科學相關(guān)理論和技術(shù)的應用。未來，認知神經(jīng)科學的進步仍將繼續(xù)為本領(lǐng)域的研究助力。PET、SPECT、NIRS、OCT等技術(shù)的發(fā)展可能會成為未來本領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)。

綜上所述，體育鍛煉對青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)影響的相關(guān)研究可以追溯至20世紀50年代，進入21世紀以后，在認知神經(jīng)科學相關(guān)理論和研究方法的影響下，涌現(xiàn)了一批令人矚目的研究成果。目前，大部分研究認為，適量的體育鍛煉有助于改善青少年認知能力，提高其學業(yè)表現(xiàn)。但是，體育鍛煉影響青少年認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的作用機制，體育鍛煉與認知能力和學業(yè)表現(xiàn)的量效關(guān)系等一系列關(guān)鍵科學問題仍有待進一步研究。

[1]陳愛國,顏軍，殷恒嬋.運動與腦的可塑性研究進展及其教育啟示[J].體育與科學，2011，32(6):61-64.

[2]陳愛國,顏軍，趙峰.體育與國民素質(zhì)提升：來自腦科學的新證據(jù)[J].華東師范大學學報(教育科學版)，2013，31(2):63-68,.

[3]陳愛國,殷恒嬋,王君，等.短時中等強度有氧運動改善兒童執(zhí)行功能的磁共振成像研究[J].體育科學，2011，31(10):35-40,.

[4]陳愛國,殷恒嬋,顏軍，等.不同強度短時有氧運動對執(zhí)行功能的影響[J].心理學報，2011，43(9):1055-1062.

[5]胡誼，桑標.教育神經(jīng)科學：探究人類認知與學習的一條整合性途徑[J].心理科學,2010，33(3):514-520.

[6]黃濤,徐波,楊毅飛,等.BDNF介導運動對腦高級功能--學習記憶能力的促進作用[J].體育科學，2006，26(9):82-85.

[7]鞠恩霞,李紅,龍長權(quán),等.基于神經(jīng)成像技術(shù)的青少年大腦發(fā)育研究[J].心理科學進展，2010，18(6):907-913.

[8]李其維.“認知革命”與“第二代認知科學”芻議[J].心理學報，2008，40(12):1306-1327.

[9]譚長連,吳大興,劉亞東,等.實時功能磁共振成像技術(shù)對運動皮層的定位探討[J].中南大學學報(醫(yī)學版)，2004，29(4):397-400.

[10]唐孝威,杜繼曾,陳學群,等.腦科學導論[M].杭州:浙江大學出版社,2006:3-8.

[11]魏高峽，李佑發(fā).21世紀中國運動心理學的新方向：運動認知神經(jīng)科學研究[J].體育科學，2012，32(1):54-63,.

[12]楊智瓊,黃濤,徐波,等.運動促進腦認知功能的機制研究[J].第四軍醫(yī)大學學報，2009，30(22):2693-2695.

[13]葉浩生.具身認知：認知心理學的新取向[J].心理科學進展，2008，18(5):705-710.

[14]葉浩生.身心二元論的困境與具身認知研究的興起[J].心理科學， 2011，34(4):999-1005.

[15]葉浩生.西方心理學中的具身認知研究思潮[J].華中師范大學學報(人文社會科學版)，2011，50(4):153-160.

[16]葉浩生.有關(guān)具身認知思潮的理論心理學思考[J].心理學報，2011，43(5):589-598.

[17]殷恒嬋,陳愛國,馬錚,等.兩種運動干預方案對小學生執(zhí)行功能影響的追蹤研究[J].體育科學，2014，34(3):24-28.

[18]周加仙.教育神經(jīng)科學：創(chuàng)建心智、腦與教育的聯(lián)結(jié)[J].華東師范大學學報(教育科學版)，2013，31(2):42-48.

[19]AUDIFFREN M,TOMPOROWSKI P D,ZAGRODNIK J.Acute aerobic exercise and information processing:energizing motor processes during a choice reaction time task [J].Acta Psychol,2008,129(3):410-419.

[20]BEST J R.Effects of physical activity on children's executive function:Contributions of experimental research on aerobic exercise [J].Dev Rev,2010,30(4):331-351.

[21]BEST J R.Exergaming immediately enhances children's executive function [J].Dev Psychol,2012,48(5):1501-1510.

[22]BROWN B J.The effect of an isometric strength program on the intellectual and social development of trainable retarded males [J].Am Correct Ther J,1977,31(2):44-48.

[23]BUCK S M,HILLMAN C H,CASTELLI D M.The relation of aerobic fitness to stroop task performance in preadolescent [J].Med Sci Sports Exe,2008,40(1):166-172.

[24]BUDDLE H,VOELCKER-REHAGE C,PIETRASSYK-KENDIZIORRA S,etal.Acute coodinative exercise improves attentional performance in adolescents [J].Neurosci Lett,2008,441(2):219-223.

[25]CASTELLI D M,CENTEIO E E,HWANG J,etal.The history of physical activity and academic performance research:informing the future [J].Monogr Soc Res Child Dev,2014,79(4):119-148.

[26]CASTELLI D M,HILLMAN C H,BUCK S M.Physical fitness and academic achievement in third-and fifth grade students [J].J Sport Exerx Psychol,2007,29(2):239-252.

[27]CHADDOCK-HEYMAN L,ERICKSON K I,VOSS M W,etal.The effects of physical activity on functional MRI activation associated with cognitive control in children:a randomized controlled intervention [J].Front Hum Neurosci,2013,12(7):72.

[28]CHADDOCK-HEYMAN L,HILLMAN C H,COHEN N J,etal.The importance of physical activity and aerobic fitness for cognitive control and memory in children [J].Monogr Soc Res Child Dev,2014,79(4):25-50.

[29]CHADDOCK L,ERICKSON K I,PRAKASH R S,etal.Basal ganglia volume is associated with aerobic fitness in preadolescent children [J].Dev Neurosci,2010,32(3):249-256.

[30]CHANG Y K,TSAI C L,HUNG T M,etal.Effects of acute exercise on executive function:a study with a Tower of London Task [J].J Sport Exe Psychol,2011,33(6):847-865.

[31]CLARK P J,BRZEZINSKA W J,PUCHALSKI E K,etal.Functional analysis of neurovascular adaptations to exercise in the dentate gyrus of young adult mice associated with cognitive gain [J].Hippocampus,2009,19(10):937-950.

[32]CORDER W O.Effects of physical education on the intellectual,physical,and social development of educable mentally retarded boys [J].Except Child,1966,32(6):357-364.

[33]DAVIS C L,COOPER S.Fitness,fatness,cognition,behavior,and academic achievement among overweight children:Do cross-sectional associations correspond to exercise trial outcomes? [J].Prev Med,2011,52(Sup):S65-S69.

[34]DAVIS C L,TOMPOROWSKI P D,BOYLE C A,etal.Effects of aerobic exercise on overweight children’s cognitive functioning：A randomized controlled trial[J].Res Q Exe Sport,2007,78(5):510-519.

[35]DAVIS C L,TOMPOROWSKI P D,MCDOWELL J E,etal.Exercise improves executive function and achievement and alters brain activation in overweight children:A randomized,controlled trial [J].Health Psychol,2011,30(1):91-98.

[36]DISHMAN R K,DUNN A L,SALLIS J F,etal.Social-cognitive correlates of physical activity in a multi-ethnic cohort of middle-school girls:two-year prospective study [J].J Pediatr Psychol,2010,35(2):188-198.

[37]DONNELLY J E,GREENE J L,GIBSON C A,etal.Physical Activity Across the Curriculum (PAAC):a randomized controlled trial to promote physical activity and diminish overweight and obesity in elementary school children [J].Prev Med,2009,49(4):336-34.

[38]DWYER T,COONAN W E,LEITCH D R,etal.An investigation of the effects of daily physical activity on the health of primary school students in South Australia [J].Int J Epidemiol,1983,12(3):308-313.

[39]DWYER T,SALLIS J F,BLIZZARD L,etal.Relation of academic performance to physical activity and fitness in children [J].Pediatri Exe Sci,2001,13(3):155-169.

[40]ELLEMBERG D,ST-LOUIS-DESCHENES M.The effect of acute physical exercise on cognitive function during development [J].Psychol Sport Exe,2010,11(2):122-126.

[41]FIELD T,DIEGO M,SANDERS C.E.Exercise is positively related to adolescents' relationships and academics [J].Adolescence,2001,141(36):105-110.

[42]FISCHER K W,DANIEL D B,IMMORDINO-YANG M H,etal.Why mind,brain,and education why now[J].Mind Brain Edu,2007,1(1):1-2.

[43]GABBARD C,BARTON J.Effects of physical activity on mathematical computation among young children [J].J Psychol,1979,103(3):287-288.

[44]GREGO F,VALLIER J M,COLLARDEAU M,etal.Influence of exercise duration and hydration status on cognitive function during prolonged cycling exercise [J].Int J Sports Med,2005,26(1):27-33.

[45]GRIECO L A,JOWERS E M,BARTHOLOMEW J B.Physically active academic lessons and time on task:The moderating effect of body mass index[J].Med Sci Sports Exe,2009,41(10):1921-1926.

[46]HILLMAN C H,CASTELLI D M,BUCK S M.Aerobic fitness and neurocognitive function in healthy preadolescent children [J].Med Sci Sports Exe,2005,37(11):1967-1974.

[47]HILLMAN C H,ERICKSON K I,KRAMER A F.Be smart,exercise your heart:Exercise effects on brain and cognition[J].Nat Rev Neurosci,2008,9(1):58-65.

[48]HILLMAN C H,KAMIJO K,SCUDDER M.A review of chronic and acute physical activity participation on neuroelectric measures of brain health and cognition during childhood [J].Prev Med,2011,52(Sup):S21-S28.

[49]HILLMAN C H,PONTIFEX M B,RAINE L B,etal.The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children [J].Neurosci,2009,159(3):1044-1054.

[50]HINKLE J S,TUCKMAN B W,SAMPSON J P.The psychology,physiology,and the creativity of middle school aerobic exercises [J].Elementary School Guidance Counseling,1993,28(2):133-145.

[51]HOWIE E K,PATE R R.Physical activity and academic achievement in children:A historical perspective [J].J Sport Health Sci,2012,1(3):160-169.

[52]ISMAIL A H.The effects of a well-organized physical education programme on intellectual performance [J].Res Physical Edu,1967,1(1):31-38.

[53]KAMIJO K,PONTIFEX M B,O'LEARY K C,etal.The effects of an afterschool physical activity program on working memory in preadolescent children [J].Dev Sci,2011,14(5):1046-1058.

[54]KRAFFT C E,SCHWARZ N F,CHI L,etal.An 8-month randomized controlled exercise trial alters brain activation during cognitive tasks in overweight children [J].Obesity,2014,22(1):232-242.

[55]KWAK L,KREMERS S P J,BERGMAN P,etal.Associations between physical activity,fitness,and academic achievement[J].J Pediatr,2009,155(6):914-918，e911.

[56]LAMBOURNE K,HANSEN D M,SZABO A N,etal.Indirect and direct relations between aerobic fitness,physical activity,and academic achievement in elementary school students [J].Ment Health Phys Act,2013,6(3):165-171.

[57]LI Y,DAI Q,JACKSON J C,etal.Overweight is associated with decreased cognitive functioning among school-age children and adolescents [J].Obesity,2008,16(8):1809-1815.

[58]LINDNER K J.The physical activity participation-academic performance revisited:Perceived and actual performance and the effect of banding (academic tracking) [J].Pediatri Exe Sci,2002,14(2):225-238.

[59]MA J K,MARE L L,GURD B J.Classroom-based high-intensity interval activity improves off-task behaviour in primary school students [J].Appl Phys Nutr Metab,2014,39(12):1332-1337.

[60]MAHAR M T,MURPHY S K,ROWE D A,etal.Effects of a classroom-based program on physical activity and on-task behavior [J].Med Sci Sports Exe,2006,38(12):2086-2094.

[61]MCNAUGHTEN D,GABBARD C.Physical exertion and the immediate mental performance of sixth-grade children [J].Percept Mot Skills,1993,77(3):66-81.

[62]NELSON M C,GORDON-LARSEN P.Physical activity and sedentary behavior patterns are associated with selected adolescent health risk behaviors [J].Pediatrics,2006,117(4):1281-1290.

[63]PESCE C,CROVA C,CEREATTI L,etal.Physical activity and mental performance in preadolescents:Effects of acute exercise on free-recall memory [J].Ment Health Phys Act,2009,2(1):16-22.

[64]PONTIFEX M B,RAINE L B,JOHNSON C R,etal.Cardiorespiratory fitness and the flexible modulation of cognitive control in preadolescent children [J].J Cogn Neurosci,2011,23(6):1332-1345.

[65]RAVIV S,RECHES I,HECHT O.Effects of activities in the motor-cognitive-learning center on academic ahievements,psychomotor and emotional development of children(aged 5-7)[J].J Phys Edu Sport Sci(Israel),1994,2(1):50-84.

[66]SALLIS J F,MCKENZIE T L,KOLODY B,etal.Effects of health-related physical education on academic achievement:Project SPARK[J].Res Q Exe Sport,1999,70(2):127-134.

[67]SCHUBERT T W,KOOLE S L.The embodied self:Making a fist enhances men's power-related self-conceptions[J].J Exp Soc Psychol,2009,(45):828-834.

[68]SHEPHARD R J,VOLLE M,LAVALLEE H,etal.Required physical activity and academic grades:A controlled longitudinal study[A].VALIMAKI I.Children and Sport[M].Berlin:Springer,1984:56-63.

[69]STROTH S,KUBESCH S,DIETERLE K,etal.Physical fitness,but not acute exercise modulates event-related potential indices for executive control in healthy adolescents [J].Brain Res,2009,1269(5):114-124.

[70]TOMPOROWSKI P D,DAVIS C L,LAMBOURNE K,etal.Task switching in overweight children:Effects of acute exercise and age[J].J Sport Exe Psychol,2008,30(5):497-511.

[71]TOMPOROWSKI P D,DAVIS C L,NAGLIERI J A.Exercise and children’s intelligence,cognition,and academic achievement[J].Edu Psychol Rev，2008,20(2):111-131.

[72]TOMPOROWSKI P D,LAMBOURNE K,OKUMURA M S.Physical activity interventions and children's mental function:An introduction and overview[J].Prev Med,2011,52(Sup):S3-S9.

[73]TREMBLAY M S,INMAN J W,WILLMS J D.The relationship between physical activity,self-esteem and academic achievement in 12-year-old children[J].Pediatri Exe Sci,2000,12(3):312-324.

[74]TUCKMAN B W,HINKLE J S.An experimental study of the physical and psychological effects of aerobic exercise on schoolchildren[J].Health Psychol,1986,5(3):197-207.

[75]YU C C W,CHAN S,CHENG F,etal.Are physical activity and academic performance compatible? Academic achievement conduct,physical activity and self-esteem of Hong Kong Chinese primary school children[J].Edu Stud,2006,32(4):331-341.

[76]YU Z B,HAN S P,CAO X G,etal.Intelligence in relation to obesity:a systematic review and meta-analysis [J].Obes Rev,2010,11(9):656-670.

[77]ZERVAS Y,DANIS A,KLISSOURAS V,etal.Influence of physical exertion on mental performance with reference to training[J].Percept Mot Skills,1991,72(3):1215-1221.

Influence of Physical Exercise on Cognitive Function and Academic Performance in Children: History,Current Status and Future

WEN Xu

The history of the research on physical exercise on adolescents’ cognitive function and academic performance can be traced back to 1950s.Influenced by the theory and research methods in cognitive neuroscience,a series of remarkable research findings were published.However,further studies are still needed in a lot of critical scientific issues,including the influencing mechanism and dose-response relationship among physical exercise,cognitive function and academic performance.

physicalexercise;cognitivefunction;academicperformance;cognitiveneuroscience

1000-677X(2015)03-0073-10

2014-12-17；

2015-02-04

全國教育科學“十二五”規(guī)劃青年資助項目 (CLA140159)；國家體育總局社會科學資助項目(2044SS14075)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資助。

溫煦(1982-)，男，江西贛州人，副教授，博士，主要研究方向為體力活動與健康，Tel：(0571)88273691，E-mail：wenxu@zju.edu.cn。

浙江大學 教育學院 體育學系，浙江 杭州 310007 Zhejiang University,Hangzhou 310007,China.

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