促進認知功能的小學體育活動的效果研究

樊偉++鐘逸婧++門曉坤

摘 要：本文立足于國際前沿認知交叉學科的科研和實踐成果，通過在北京市16所小學1000多名三年級學生中開展對比實驗，驗證了有意識設計的小學體育活動能夠促進小學生認知功能的提高。本文的結論將豐富國內外小學體育活動的教育目標、內容和評價手段，為運動促進認知的理論和實踐國際前沿提供案例和數據支撐。

關鍵詞：認知功能；小學體育；效果

中圖分類號：G633.96 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2410（2017）06-0015-03

一、選題

認知功能的改善是21世紀的前沿科學和應用焦點，關系到兒童的學習成績、成人的工作業績、老人的身心健康，乃至人工智能的不斷革新。認知功能包括注意、記憶、自控、判斷、計劃、決策、語言表達等思維過程，是人們高效學習、工作和幸福生活的能力基礎。三十年來的認知神經學研究表明，大腦具有“可塑性”，大腦會受到后天環境的影響而發生結構和功能的改變。在不同的環境影響因素中，二十年來的運動生理學研究發現，運動能夠通過很多生理機制去促進認知功能的提高，而且不同的運動內容和運動方法對認知功能有著不同影響。這些科研成果不禁吸引人思考：能否有意識地設計一些體育活動，去促進兒童認知功能的提高？

六十年來的認知心理學研究發現，認知功能在兒童期發展得最快，特別是持續注意（即保持注意持續一段時間）、注意分配（即同時關注幾個目標對象）、工作記憶（即對需要做什么事等指令的短時記憶）、信息處理（即快速接收、處理信息并作出反應）、反應抑制（即抑制優勢反應和沖動）、認知靈活（即快速適應規則變化）等較為基礎的認知功能。鑒于此，本文以促進這些較為基礎的認知功能的體育活動為研究對象，探討其對小學生認知功能的影響。

對促進認知功能的體育活動的探討，能夠補充和完善體育教育的教育目標、方法和評價標準。這意味著，兒童將享受到更豐富的體育教育內容，而體育教師需要具備在技能傳授、情感品格發展之外的更復合的知識結構和教學能力。這對于全球的體育教育都是新鮮的挑戰。與此同時，這一探討也將改變“頭腦簡單、四肢發達”的固有觀念，讓人們看到體育場能夠提供的促進身體功能之外的豐富的教育機會，從而提高體育學科在學校教育中的地位。

二、前人研究回顧

1980年代以來的研究發現，認知功能的意義重大，認知功能水平比智商測驗更能夠預測兒童的學習成績。對多動癥、自閉癥、老年癡呆癥等病人的認知功能損傷和干預訓練的大量研究發現，認知功能可以通過后天干預得到改善。認知神經學的研究揭示了認知功能改善的生理機制，即“神經可塑性”。比如，一項對我國體操運動員的大腦成像研究顯示，經過多年專業訓練的體操運動員的神經網絡連接出現了30種增長和18種減少，這說明后天的運動訓練改變了他們的大腦結構。

運動生理學和教育學的研究發現，運動能夠促進認知功能的提高。比如，除了美國的“零點體育”（zero-hour PE）實驗外，2014-2015年在北京市海淀區藝師附小（現農科附小分校）開展的3C腦體雙優教學實驗，通過讓一二年級學生進行30分鐘運動+30分鐘數學（或電腦認知訓練）+30分鐘運動或60分鐘運動+30分鐘數學（或電腦認知訓練）等動靜轉換訓練，學生做數學題（或電腦認知訓練）的速度和準確度都有了明顯的提高。神經學研究發現，運動促進認知的生理機制之一在于，運動能夠提高神經生長因子數量，運動后人體分泌的多巴胺等神經遞質有助于集中注意力，等等。

研究還發現，不同運動內容對認知功能有著不同的影響。比如，接受六個月的太極拳訓練比接受西式的拉伸和有氧運動的人在執行功能認知測試中表現更好，同時平衡感更強。再比如，英國有實驗研究讓135名7歲的兒童參加了15個月的球類訓練，分為手球、足球、曲棍球、綜合項目幾個組，結果顯示各組的戰術創造力都有普遍提升，其中足球組的創造力表現最優秀。

國際上已經有少數教育者開始嘗試將認知功能訓練融入體育活動當中。比如，美國的教育者將“木頭人”“捉人”等傳統的集體游戲加入了更多的認知刺激，以訓練兒童的持續注意、工作記憶、認知靈活等認知功能。

綜上所述，促進認知功能的體育活動是一個國際前沿的跨學科話題，存在著大量空白。國際上尚沒有促進認知功能的兒童體育活動的系統設計，也沒有大樣本數據對其效果進行檢驗。本文在前人研究的基礎上，試圖將認知功能的訓練目標融入小學體育活動，探討這種有意識設計的體育活動對認知功能的影響。

三、研究方法

本文采用了文獻閱讀法、實驗法和統計法的方法進行研究。

1.文獻閱讀法

本文在閱讀了大量國際研究和教育實踐案例的基礎上，梳理了前人的研究成果和研究方向，為本文的實驗研究奠定了理論和實踐基礎。

2.實驗法

實驗假設：結合了認知功能訓練的體育活動（以下簡稱“認知體育活動”），相比于沒有結合認知功能訓練的體育活動（以下簡稱“常規體育活動”），更能夠提高小學生的認知功能水平。

實驗對象：北京市東城、海淀、密云、房山、昌平等區共16所小學的三年級學生，共38個班級、約1200名學生。

實驗時間：從2016年11月底至2017年4月底，共上課10周，每周3次課，共30次課。

實驗安排：每個學校在三年級安排1個實驗班、1個對照班，由同一位體育教師上課，其中實驗班開展認知體育活動，對照班開展常規體育活動。

實驗內容：由本文課題組提供指導、各實驗校體育教師參與研發，共同開發的一套認知體育活動內容。包括：多種數字報數、反應性練習、反口令練習、鏡子游戲、旗語信號、抗干擾練習、大風吹集體游戲等。這些認知體育活動的設計考慮了不同認知功能、運動項目和技能教學階段的特點，針對集體教學環境做了調整，并考慮了整節課在身體負荷、注意力和認知負荷的強度和密度安排。

實驗結果測量：在實驗前后，使用根據美國國立衛生院（NationalInstituteofHealth）標準開發的認知功能測評軟件來測量實驗對象的認知功能水平，軟件包括DCCS、Flanker、Go/No-Go、WMT等四個測試工具（測試內容簡介見表1）。認知功能前測在2016年11月25日至12月2日期間完成，后測在2017年4月20日至4月28日期間完成，前后兩次測試的內容一致。

3.統計法

本文對收集到的認知功能測評數據進行效度處理和對比分析，比較認知體育活動和常規體育活動學生的認知功能的差異。

四、結果分析與討論

1.對照實驗的數據處理結果（表2）

上表中各項的定義：

（1）測試學校：由于本文只開展各校內部的實驗班和對照班比較，而不進行各校之間的橫向比較，因此用數字1-16來替代學校名稱。

（2）測試班級：1班指實驗班，2班指對照班。

（3）測試項目：D指DCCS測試，F指Flanker測試，G指Go/No-Go測試，W指WMT測試；1指前測，2指后測。因此D1指DCCS前測，D2指DCCS后測，其它依此類推。

（4）數據結果：表中的數據是各班的正確得分均值。其中，D、F、G測試的正確得分指正確率*100；W測試的正確得分指累積的記憶得分。

無效數據的剔除：

（1）學校整體數據的剔除：本文的數據統計分析剔除了學校8、12、13、16的數據。原因在于：學校8和學校12少了一個班的數據，無法構成各自的對比實驗。學校16的實驗班只有5人參加了測試，數據不足以全面地反映班級情況，無法構成公正的對比實驗。學校13的實驗班在前測時由于電腦設備和網絡出現故障，在一周內連續做了兩次測試，班級約1/3數量學生的數據出現了較大變動，影響了數據可靠性，難以構成可靠的對比實驗。另外，學校11的D2數據存疑，由于2班30人中只有12人參加了該項后測，難以全面地反映全班情況。

（2）班級個體數據的剔除：部分學生的部分測試項目缺項；此外還存在個別學生的反應時小于0.1秒的情況，也即是這些學生在隨機亂點屏幕。因此在進行班級均值計算時，剔除了這部分數據。

2.對照實驗的數據分析

（1）DCCS數據

可以看出，在11所學校中，學校1、2、5、6、9、10、14等7所學校顯示出了實驗班比對照班有著更大的提高幅度，其中有5所學校顯示出了實驗班的提高幅度比對照班超出5%。其余4所學校，學校3和4顯示出了基本一致的提高/下降幅度；學校7和15，實驗班的提高幅度不如對照班，但實驗班受到了前測數據起點更高、因此提高空間更小的限制。

說明：經過訓練后，絕大多數學校的實驗班比對照班在認知靈活、持續注意、工作記憶和信息處理能力等認知功能上擁有更大幅度的提高，個別學校數據的反駁價值有限。

（2）Flanker數據

可以看出，在12所學校中，學校4、5、6、7、9、10等6個學校的實驗班比對照班的前后測提高幅度要大；學校1、2、3、11、14、15等6個學校相反，但同樣這些學校的實驗班受到了前測數據起點更高、因此提高空間更小的限制。

說明：有一半學校的實驗班比對照班在抗干擾能力、持續注意和工作記憶等認知功能上擁有更大幅度的提高；另一半學校沒有顯示出這種優勢，不過其反駁價值有限。

（3）Go/No-Go

可以看出，在12所學校中，學校1、2、3、5、6、7、9、10、11、14等10個學校都出現了實驗班比對照班的提升幅度更大。其中特別是學校6、9、10，實驗班的提升幅度比對照班的約高出了5%。其余兩所學校4和15，同樣這些學校的實驗班受到了前測數據起點更高、因此提高空間更小的限制。

說明：經過訓練，絕大多數學校的實驗班比對照班在自控力、持續注意和工作記憶等認知功能上擁有更大幅度的提高，個別學校數據的反駁價值有限。

（4）WMT數據

可以看出，在12所學校中，學校1、4、6、9、10、14、15等7個學校的實驗班比對照班的提高幅度更大。學校2、3、5、7、11則相反。值得注意的是，參加WMT測試的全部24個班里，有9個班的WMT后測數據低于前測數據，這包括5個實驗班和4個對照班。其部分原因可能是，WMT測試在實施過程中要花費更多時間，一些學生沒有足夠的持續注意力來完成這個測試，導致后測時數據出現倒退的情況。

說明：超過一半學校的實驗班比對照班在記憶力和持續注意等認知功能上擁有更大幅度的提高，其余學校沒有顯示出這種優勢。

五、結論

在北京市12所小學三年級的對照實驗中，DCCS、Flanker、Go/No-Go、WMT四個認知功能測試項目的前后測結果表明，經過10周、每周3次、每次40分鐘的體育活動后，大部分學校的實驗班比對照班在認知靈活、抗干擾、反應抑制（自控力）、持續注意、信息處理、記憶力等認知功能方面取得了更顯著的提高。實驗班的這種認知功能提高優勢在認知靈活和反應抑制（自控力）方面體現得更為明顯，部分學校的提高幅度優勢達到了5%；實驗班的這種認知功能提高優勢在記憶力方面體現得稍弱。

六、問題與討論

在實驗過程中也遇到了不少問題，有待進一步探索和改進。包括：1）認知訓練如何更緊密地服務于技能教學；2）認知訓練的強度如何把握，本次實驗中摸索出的理想強度是持續15分鐘、每分鐘1～10次不等的視聽認知信號；3）認知訓練中如何平衡好學生的更高興奮度和課堂安全問題；4）認知訓練中如何減少“搭便車”現象、同時照顧到反應慢的個體；5）認知訓練的場地教具設計如何避免多個班級同時上課的干擾，等等。

參考文獻：

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