一次短時游泳運動對兒童執行功能的影響

高俊宏,胡 玥

(杭州市陳經綸體育運動學校，浙江 杭州 310007;2.杭州市余杭區少年八家業余體校，浙江 杭州 311100)

隨著認知心理學的發展，對運動與認知能力的研究越來越受到重視，運動與執行功能也逐漸成為認知心理學和體育心理學的重要研究領域。執行功能(executive function,EF)是在完成復雜的認知任務時，對各種基本認知過程進行協調，以保證認知系統以靈活、優化的方式實行特定目標的一般性控制機制，其本質是對其他認知過程進行控制和調節，根本目的是為了產生協調有序、有目的性的行為[1]?？茖W研究表明運動不僅可以增強體質，促進身體健康，還可以改善兒童的執行功能，從而提高他們的學習成績。執行功能始于嬰兒期，在兒童時期發展得最快[2]。執行功能發展良好的兒童注意力更專注，記憶力也更好，決策能力更強，他們在數學和閱讀能力方面的表現較好。執行功能發展不良的兒童容易出現學習功能受損，導致學習動機減弱、自我控制能力低、注意轉換有困難等，還容易出現自閉癥、多動癥和注意力缺陷等癥狀[3,4,5]。Miyake將執行功能分為三個子功能，分為抑制功能、刷新功能、轉換功能。抑制功能是指認知過程中有意識地對自動的占主導地位的優勢反應的抑制。抑制控制是執行功能的核心成分，它是決定多種心理過程如何協同工作，以使得一項任務在成功實施的過程中起重要的作用。轉換功能是指在執行復雜任務時根據任務目的要求，在多種任務、多種操作或心理定勢之間靈活的轉換。刷新功能是指對進入工作記憶的信息進行監控和編碼以適應當前的任務，以及對工作記憶中的內容進行適當地修改，用新的、更合適的心理取代舊的不合適的信息。

研究發現長期和短期的體育運動均有助于兒童執行功能的發展[6]。Donnelly等人發現經過為期3年每周5次每次90min的中高強度體育運動干預后，受試兒童的體力活動水平、認知能力測試成績和學業表現均有所提高[7]。Chaddock等人也發現經過為期9個月每周5次每次60min的有氧運動干預后，兒童的右額葉前部的激活水平下降，注意力和抗干擾表現有所改善[8]。陳愛國等人也發現短時間有氧運動，如30min的功率自行車也提高了兒童在執行功能測試中的得分[9]。不過目前大部分研究聚焦在陸上有氧運動，對于水上有氧運動對兒童執行功能的影響研究較少。因此本文研究短時體育運動對兒童執行功能的影響，研究通過將48名9至11歲兒童分為游泳組和對照組，游泳組進行一次短時間中等強度游泳運動干預，對照組進行一次60min自修課。在干預前后對他們進行執行功能測試，分析一次短時間中等強度游泳運動前后兒童執行功能的變化。旨在了解長期游泳運動對兒童執行功能的影響，并為未來提高兒童執行功能發展提供運動干預的參考方案。

1 研究對象

實驗對48名9至11歲的兒童進行研究分析，將他們分為兩組，分別是游泳組與對照組。游泳組的兒童就讀于杭州市各個普通小學，同時利用課余時間在杭州市某體育運動學校參加業余游泳訓練(每周5至7次，每次2h)。對照組的兒童為杭州市普通小學學生。要求這些受試對象：①身體機能正常，無心血管、心理和神經系統疾病；②視覺色覺正常。

2 研究方法

2.1 研究流程

整個測試分為前測部分、運動干預部分、后測部分三個部分。第一步，在前測部分收集被試者的基本資料，采用問卷調查法，收集受試人員的基本資料。包括年齡、性別、身高、體重、(矯正)視力和色覺是否正常、有無心血管、心理、神經系統疾病，并測試被試者的安靜心率，然后對被試者進行第一次執行功能測量。第二步，在運動干預部分，游泳組進行一次60min的中等強度運動訓練，對照組進行60min自修課。第三步，干預結束后待研究對象心率恢復到100～120次/min后，進行第二次執行功能測試。

圖1 研究流程圖

2.2 運動干預方案

運動干預時間為60min，游泳訓練包括5分鐘岸上動態熱身活動、400m自由泳水上準備活動、3×100m混合泳劃手、8×50m四種泳姿打腿、2×100m自由泳混合泳各一個、4×15m自由泳、4×200m自由泳、4×50m四種泳姿配合游。運動期間運動心率范圍在154.08±4.96次/min，運動結束后20min內即刻平均心率為110.46±4.68次/min。而對照組在老師的組織下，在教室進行60min自修課，上課時心率為83.17±1.40次/min，結束后20min內即刻平均心率為83.25±1.35次/min。

2.3 執行功能測量方法

實驗通過利用計算機在Inquisit軟件上對被試者進行Stroop任務測試、威斯康辛卡片分類測試、2-Back任務測試的執行功能測量。使用Stroop任務測試兒童的抑制功能，使用威斯康辛卡片分類測試測試兒童的轉換功能，使用2-Back任務測試兒童的刷新功能。執行功能的評價成績為他們完成相關任務的反應時和正確率，反應時越快、正確率越高，說明執行功能越好。三項任務的測試順序為Stroop任務測試、威斯康辛卡片分類測試、2-Back任務測試。執行功能前測和后測均在學校計算機房內進行，環境安靜、明亮，測試過程中沒有外界干擾。在測試前被試者在主試老師的指導下進行練習，待被試者對任務測試規則掌握后開始進入正式測試。被試者在完成每個測試之間可稍作休息，整個測試的時間大約需要45min左右。

表1受試對象的基本情況以及運動干預情況

對照組 游泳組 總體 人數(人) 24 24 48 女生人數(人) 12 12 24 年齡(歲) 10.42±0.50 10.12±0.79 10.27±0.67 年級 5 4.42±0.50 4.71±0.45 運動年限(年) 0 3.63±0.49 1.81±1.86 體重指數BMI 17.82±1.07 17.34±1.12 17.58±1.11 安靜心率(次/分) 82.92±1.55 82.54±1.74 82.73±1.64 干預中心率(次/分) 83.17±1.40 154.08±4.96 118.62±36.01 干預中心率(次/分) 83.25±1.35 110.46±4.68 96.85±14.16

注：BMI: Body Mass Index

2.4 統計與分析

采用SPSS19.0對數據進行分析和處理。采用重復測量數據方差將兩個組別(游泳組和對照組)和兩個時間組(前測和后測)進行統計分析。

3 研究結果

實驗結果顯示，在Stroop任務測試中，游泳組的后測反應時和正確率均高于對照組。在威斯康辛卡片分類測試中，游泳組的后測反應時和正確率均高于對照組。在2-back任務測試中，游泳組后測的反應時和準確率均高于對照組。

圖2 Stroop任務反應時的變化

圖2和圖3顯示了各組受試對象在干預前后完成Stroop任務反應時與正確率的變化。研究結果顯示，游泳組與對照組在運動干預前后完成Stroop任務測試的反應時存在差異，且差異具有顯著性(F(1,46)=17.838,P<0.01)。運動干預時間和分組之間交互作用不顯著(F(1,46)=1.574，P>0.05)，游泳組與對照組組別間差異具有顯著性(F(1,46)=10.989,P<0.05)。

游泳組與對照組在干預前后完成Stroop任務的正確率差異較小，且差異不具有顯著性(F(1,46)=2.023，P>0.05)。運動干預時間與分組之間交互作用顯著，且差異具有顯著性(F(1,46)=14.248,P<0.01)，游泳組與對照組組別間差異不具有顯著性(F(1,46)=0.146,P>0.05)。

圖3 Stroop任務準確率的變化

圖4 威斯康辛卡片分類測試反應時的變化

圖4和圖5顯示了各組受試對象在干預前后完成威斯康辛卡片分類測試反應時與正確率的變化。研究結果顯示，游泳組與對照組在干預前后完成威斯康辛卡片分類測試的反應時差異較小，差異不具有顯著性(F(1,46)=3.514,P>0.05)，運動干預時間和分組之間交互作用顯著(F(1,46)=7.693，P<0.05)，游泳組與對照組組別間不存在顯著差異(F(1,46)=0.006,P>0.05)。

游泳組與對照組在干預前后完成威斯康辛卡片分類測試正確率的分析數據顯示，運動干預時間的正確率存在差異，且差異具有顯著(F(1,46)=18.355,P<0.01)，運動干預時間與組別之間交互作用顯著(F(1,46)=5.681,P<0.05)，游泳組與對照組組別間差異具有顯著性(F(1,46)=11.369,P<0.05)。

圖6和圖7顯示了各組受試對象在干預前后完成2-back任務反應時與正確率的變化。研究結果顯示，游泳組與對照組在干預前后完成2-back任務反應時差異較小，差異不具有顯著性(F(1,44)=0.147,P>0.05)。運動干預時間和分組之間交互作用不顯著(F(1,44)=0.669，P>0.05)。

圖5 威斯康辛卡片分類測試準確率的變化

圖6 2-back任務反應時的變化

游泳組與對照組在干預前后完成2-back任務正確率的分析數據顯示，運動干預前后不存在統計學差異(F(1,45)=1.645,P>0.05)，運動干預時間與組別交互作用顯著(F(1,45)17.771=,P<0.05)，游泳組與對照組組別間存在統計學差異，且差異具有顯著性(F(1,45)=5.989,P<0.05)。

圖7 2-back任務準確率的變化

4 分析與討論

本研究將9至11歲的兒童作為研究對象，將他們分為游泳組和對照組，研究一次短時中等強度游泳運動對兒童執行功能的影響。研究發現一次短時中等強度游泳運動對兒童執行功能各子功能(抑制功能、轉換功能和刷新功能)均存在一定的影響。首先，短時中等強度游泳運動對抑制功能存在影響，具體表現為游泳運動干預后兒童在Stroop任務測試中的正確率均存在提高,反應時提高顯著。這個研究結果與已有的研究結果一致。Sibley等人發現短時中等強度有氧運動后，大學生的Stroop任務測試成績提高，即抑制功能提高[10]。Hillman 等人還發現20min中等強度有氧走后，兒童完成的Flanker任務準確率有所提高[11]。其次，短時中等強度游泳運動對轉換功能存在影響，具體表現為游泳運動干預后兒童在威斯康辛卡片分類測試中的正確率和反應時均存在提高，正確率提高顯著。第三，短時中等強度游泳運動對刷新功能存在影響，具體表現為游泳運動干預后兒童在2-back任務測試中正確率顯著提高，說明運動干預后兒童的注意力更集中，記憶與思維的靈敏度更高。這些研究結果與已有的研究結果一致。陳愛國發現一次短時自行車運動后大學生的Flanker任務、More-odd shifting任務和N-back任務測試均存在提高，執行功能提高[9]。陳愛國發現一次短時中等強度有氧運動后，5名10歲兒童的磁共振成像顯示運動后兒童的執行功能各子功能均有所提高[12。

研究表明，中等強度運動對執行功能存在積極影響主要基于倒U型喚醒理論和兒茶酚胺類遞質假說。中等強度運動使得人體處于較好的喚醒水平，在達到最佳喚醒水平之前，喚醒水平越高表現越好，而達到最佳喚醒水平之后，則喚醒水平越高表現越差[13,14]。兒茶酚胺類遞質假說，指的是短時有氧運動使得腦神經內分泌水平增加，導致腦部兒茶酚胺類遞質變化，改善個體執行功能[15,16]。研究還發現，短時有氧運動能夠提高血液循環，改善大腦局部血液供應，從而提高執行功[18]。

5 結 論

短時中等強度游泳運動可能能夠改善和提高兒童執行功能的轉換功能、抑制功能和刷新功能。本文研究短時有氧運動對執行功能的影響，仍存在一些不足：①選取的被試僅為9-11歲的兒童，其他不同年齡段的人群受有氧運動干預后執行功能是否存在差異在本研究中不能得到證實；②在一次短時運動中僅選擇了一種運動強度的(中等強度)和一種運動類型(游泳運動)來揭示有氧運動對執行功能的影響，缺乏有氧運動對執行功能影響的“劑量效應”。后續的研究還可以選取不同年齡段的被試者，用不同運動類型、不同運動強度、不同運動持續時間進行單獨或交互的研究，研究有氧運動對執行功能的影響。全面揭示有氧運動對執行功能的“劑量效應”，為改善執行功能提供有效合理的有氧運動方案。