中等强度足球锻炼对小学生执行功能的影响

张立敏，喻 青，查圣祥

(1.南京师范大学 体育科学学院， 江苏 南京 210023； 2.南京市太阳城小学， 江苏 南京 210049； 3.江苏第二师范学院，江苏 南京 210013)

1 问题的提出

认知(cognition)是人类最基本的心理过程，是人们获得知识或应用知识的过程，也是个体认识客观世界的信息加工活动。执行功能(Executive functions，EF)是一种有目的的控制机制，是指个体在实施目标行为过程中以动态、灵活的方式协调多个认知子系统活动的复杂认知过程[1-2]，其本质是对其他认知过程进行控制和调节，从而产生目的、协调有序的行为[3]。执行功能是衡量个体认知功能水平高低的重要指标[4]，近年来成为认知发展领域研究的热点和前沿[5]。学界对执行功能的定义和测量方式尚不统一，目前多数研究采用的抑制控制、任务转换和信息刷新作为测试指标[6-7]。抑制控制是指个体追求认知表征目标时抑制对无关刺激反应的能力[8]；任务转换是指根据不同问题、任务要求在完成任务时能灵活切换[9]；信息刷新包括对进入工作记忆的信息进行监控和编码以适应当前的任务，以及对工作记忆中的内容进行适当地修改，用新的、更合适的信息取代旧的、不合适的信息[9]。

儿童的身心健康发展备受社会各界关注，形成积极健康的心理—认知功能对其成长发展具有显著的促进意义[10]，现有的研究成果已经初步证实身体锻炼有益于认知健康和学习[11]，锻炼活动不仅可以直接提高少年儿童的身体健康水平、使之体格强健、改善他们的免疫功能，同时还有助于健康心理水平的形成，以及认知行为水平的快速发展[12]。目前，体育锻炼的健身效果已经积累了大量成果，但体育锻炼的益智研究仍处于初级阶段，其影响效果及作用机制仍需大量的实证工作加以补充。

从已有考察锻炼影响执行功能的文献来看，研究者通常采用两种方式进行，一种是考察急性有氧锻炼(acute exercise)对执行功能的影响，一种是采用追踪方式(longitudinal study)，考察长期效应。

近期的研究表明，以急性有氧锻炼作为干预手段可以促进儿童执行控制的改善，对认知健康的支持系统具有特殊作用[13]。急性有氧运动对认知功能的效应取决于锻炼的类型、强度和时长[14]，而且急性锻炼对认知功能的影响具有选择性，尤其是对执行功能的动作反应抑制方面[15]。

除单次锻炼效应外，亦有研究者采用追踪方式考察了身体活动对执行功能的持续促进作用，寻求锻炼与执行功能变化之间的剂量效应[16]。陈爱国等人的研究表明，持续8周的中等强度花样跳绳运动对聋哑儿童的刷新功能和转换功能有显著促进效果[17]。Sibley等人的研究显示，长期锻炼活动对于注意力缺陷多动障碍儿童(ADHD)、肥胖儿童、聋哑儿童脑认知功能的改善存在促进和改善作用[18]。

无论采用以上哪种方式，从研究内容上看，锻炼项目和类型、强度以及时间都是无法回避的因素。从锻炼项目上看，协调性训练对肥胖儿童BMI、身体健康促进的同时，有助于执行功能的改善[19]，而有氧运动相对于阻力和灵敏训练更能提高小学生的执行功能[20]。虽然不同强度的锻炼都有促进作用，但单次30分钟中等强度篮球运球训练对小学生执行功能改善效果最好[21]。殷恒婵等人发现，花样跑步、趣味田径游戏、小手球+素质练习、踢毽+游戏、武术+花样跳绳+8字跑，5种运动干预方案均可以提高学生的执行功能[22]，但不同方案对小学生执行功能3个子功能的效果不同：武术+花样跳绳+8字跑对抑制功能的效果最好，花样跑步对刷新功能的效果略好，武术+花样跳绳+8字跑和花样跑步的转换效果较好。

从强度上看，多数研究显示，中等强度的锻炼对执行功能的影响更有效[23-24]，但就儿童而言，也有研究表明，无论是持续的还是间歇的中等强度的锻炼活动，都会对8～10岁儿童的执行功能产生影响，并在随后的30分钟以内保持效应[25]，而中等强度的急性有氧运动对儿童执行功能的影响具有选择性，在身体活动中，他们的抑制活动得到了保持，但是工作记忆却是下降的，其作用机制还有待进一步检验[26]。另外，高强度间歇训练和中等强度持续训练都可以促进执行功能。单次有氧运动对执行功能的促进作用持续时间较短，高强度间歇训练对执行功能的影响可以持续到锻炼之后的恢复阶段，因此高强度间歇训练有更长的持续效应，高强度间歇训练对执行功能的促进作用更有效，但是作用机制尚不明晰[27-28]。

足球运动在我国有着悠久的、广泛的民间基础。国务院办公厅公布的《中国足球改革发展总体方案》，明确提出全国各地市中小学要把足球课程纳入学校体育教学内容，鼓励并支持中小学校积极开展具有学校特色的体育项目、体育课程，这为校园足球文化的传播提供了很好的契机。足球运动综合性强，需要参与者具备力量、速度、灵敏、耐力等多种身体素质，长期坚持从事足球运动可以有效提升学生的体质健康水平，但其益智功能尚有待证实。

江大雷和曾从周以足球游戏为干预手段，选取61名5～6岁的学龄前儿童为被试，采用每周2次、每次35分钟、持续8周的中等强度足球游戏干预，发现参与者运动干预后的执行功能测试成绩好于对照组被试成绩[29]。另一项为时6个月的足球训练考察了该项训练对儿童协调性和执行功能的影响。参与者是44名平均年龄8.8岁的儿童，24人参与足球训练，剩余的20人作为久坐的对照组。前后测的数据表明，两组儿童的协调性和执行功能差距显著，足球组儿童协调性、工作记忆、注意、抑制提高显著。研究提示，有计划的体育活动是提高儿童认知能力的有效、有趣的途径[30]。

纵观以上研究成果，单次锻炼对认知的影响可能因儿童参与锻炼项目的不同而有所改变，而长期锻炼的效果大于单次锻炼，时间越长，效果量越大[31]，似乎锻炼时间长短对认知促进有不同的影响。但很少有对同一项目的单次研究和追踪研究成果进行比较的研究，具体到某一锻炼项目的研究成果仍需进一步积累，因此，考察具体体育项目对执行功能的影响成为研究的出发点。结合当下广泛开展的校园足球运动，研究拟结合单次锻炼和长期追踪两种方式考察校园足球锻炼活动对小学生执行功能的影响，以期为体育教学内容的设计、课余体育活动方案的选择以及学校体育政策法规的制定等提供参考依据。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

选取南京某足球特色课程小学66名三年级至六年级的小学生，确保参与者无严重躯体疾病，无脑创伤以及神经障碍、遗传病史，无药物和酒精依赖史，或其他可能对大脑结构与功能有影响的疾病，无色盲、色弱和智力障碍。在征得学生个人及学校老师同意后，分为实验组和对照组，其中实验组男生23名，女生10名(其中高年级男生4名，女生3名，中年级男生9名、女生7名)；对照组男生17名，女生16名(其中高年级男生9名、女生7名，中年级男生8名、女生9名)。

2.2 测量工具

研究采用Flanker测试抑制控制，用More-odd shifting测试转换任务，用N-back测试刷新任务。事先用E-prime2.0软件对测试材料进行编程，安装软件后请学生在计算机上完成测试。

运动强度的测量使用三维加速度计，polar心率带，三维加速度计主要用来测试运动中的能量消耗情况，用来监控学生的运动强度。中等强度设定为个体的最大心率(220-年龄)×60%～69%，同时记录学生参加课余身体活动的情况，以便后期进行统计控制。

2.3 测试过程

2.3.1 单次中等强度足球训练对小学生执行功能的影响

采用被试内设计，通过单次45分钟中等强度的足球训练干预，对干预前后的实验数据进行处理，比较不同年级、性别的被试执行功能水平差异，分析单次干预对小学生执行功能水平的影响。

单次足球训练时间为45分钟。训练前安排被试进行执行功能心理测试，训练内容由校足球教练统一安排。足球训练开始前给实验对象佩戴Polar心率带和三维加速度计，如实记录每个参与者能量消耗和心率变化情况，推算出训练强度。运动达到中等强度后由负责测试的老师，把被试带到测试地点，独立完成电脑测试。实验过程中研究者参与记录每次课实验对象的出勤情况并提醒学生佩戴好监测仪器。

2.3.2 追踪研究

采用被试间设计，测试工具同单次研究。通过为期12周的中等强度的足球训练干预，对干预前后实验组与对照组数据进行处理，比较实验组与对照组实验干预后执行功能水平差异，分析不同因素对执行功能水平发展的影响。

2.3.3 测试程序

运动前、运动后统一安排学生进入测试环境，测试前由指导者讲解指导语，随后进行预测试，如学生掌握较慢，再由老师进行个别指导。所有学生熟悉测试软件后，统一施测。每次测试在相同环境中进行，数据由测试者进行拷贝，集中处理。

3 研究结果

3.1 单次(45分钟)中等强度足球训练对小学生执行功能的影响

3.1.1 实验前后执行功能水平的比较分析

为比较单次中等强度足球训练前后执行功能的差异，对实验组3个维度前后测的数据进行了配对样本t检验，各维度描述统计结果及t检验结果如表1所示。

表1 实验组前后测结果及配对样本T检验结果

维度实验组(M±SD)实验后(M±SD)TP抑制71.42± 28.8166.94± 22.621.17.25刷新 799.70±160.12780.30±141.891.09.29转换1135.39±218.681095.52±122.871.27.21

根据表1的统计结果，实验组抑制、刷新、转换3个维度成绩均有所提高，但3个维度的前后测成绩均不存在显著差异，即单次45分钟中等强度足球训练之后，受试者的成绩没有达到显著差异。

3.1.2 不同年级小学生实验前后执行功能水平的比较分析

为考察单次中等强度足球训练对不同年级学生执行功能的影响，将学生分为中年级、高年级2个组，对各年级组小学生实验前后的成绩进行了配对样本t检验，结果如表2所示。

表2 各年级实验组前后测结果比较

维度组别实验组前(M±SD)实验组后(M±SD)TP抑制中年级66.13±26.1264.94±18.00.03.97高年级77.35±30.7268.82±26.68 1.58.13刷新中年级790.63±178.28775.63±171.60.48.64高年级808.24±146.02784.71±112.331.20.25转换中年级1092.38±134.591076.06±127.03.67.51高年级1175.88±273.981113.82±119.711.09.29

根据表2的统计结果，无论中年级组还是高年级组，实验前后抑制、刷新、转换3个维度均呈现提高趋势，但前后测试变化不显著。

3.1.3 不同性别实验前后执行功能水平的比较分析

为比较单次性中等强度的足球训练前后，不同性别小学生执行功能3个维度的差异，对各性别组实验前后的成绩进行了配对样本t检验，结果如表3所示。

表3 不同性别实验组前后成绩比较

维度性别实验组前(M±SD)实验组后(M±SD)TP抑制男生70.00±26.9465.17±25.582.25.04女生74.70±34.0771.00±13.90.30.77刷新男生759.48±150.01758.71±136.15.04.97女生892.20±150.04830.00±149.462.01.08转换男生1135.74±231.521115.79±113.13 .51.62女生1134.60±197.471049.00±137.641.69.13

根据表3的统计结果，从前后平均值对比来看，无论男性还是女性，3个维度试验后的成绩均有提高。其中，男生在抑制维度的提高达到显著水平，在刷新和转换维度变化不显著，而女生组实验前后3个维度变化不显著。

3.2 长期中等强度足球训练对小学生执行功能的影响

3.2.1 实验前实验组与对照组执行功能水平比较

为确定实验组与对照组执行功能在研究开始前处于同一水平，避免实验前组别差异对研究结果造成影响，对实验前的实验组和对照组3个维度的成绩进行了独立样本t检验，检验结果如表4所示。

表4 实验组与对照组实验前各结果对比

维度实验组(M±SD)对照组(M±SD)TP抑制84.03±23.3482.09±22.420.34.73刷新834.58±147.00881.46±134.22-1.35.18转换1065.06±123.931095.52±122.87-1.00.32

表4的统计结果显示，实验组的刷新、转换维度较好，对照组的抑制维度较好。但实验前实验组与对照组在3个维度上的成绩均不具有显著性差异，即实验组与对照组反应时初始成绩不存在显著差异。

3.2.2 实验组、对照组实验前后比较

为比较实验前后实验组、对照组执行功能3个维度的差异，分别对实验组、对照组实验前后的成绩进行配对样本t检验，检验结果如表5所示。

根据表5的统计结果，实验组抑制维度、刷新维度、转换维度实验前后成绩均有显著差异，且实验组3个维度的成绩均显著提高。提高幅度最高为抑制维度，其次是刷新维度，最后为转换维度。对照组3个维度的后测成绩均好于前测，但抑制、刷新维度实验前后测成绩不存在显著性差异，而转换维度前后变化处于临界状态(P=.05)。

表5 各组实验前后反应时成绩比较

维度组别实验组前(M±SD)实验组后(M±SD)TP抑制实验组84.03±23.3464.39±17.788.12.00对照组82.09±22.4274.79±21.571.50.14刷新实验组834.58±147.00760.72±139.294.02.00对照组881.46±134.22850.85±151.611.67.11转换实验组1065.06±123.931010.85±141.022.43.02对照组1095.52±122.871072.73±112.722.03.05

为考察实验组、对照组在12周足球训练后的执行功能变化情况，对两组12周干预后的执行功能成绩进行了差异检验。

表6 实验组、对照组实验后成绩比较

维度组别M±SDTP抑制实验组 18.82±14.68对照组7.30±28.032.09.04刷新实验组79.91±90.19对照组30.30±105.442.05.04转换实验组69.36±78.19对照组22.79±64.64.64.01

根据表6的统计结果，实验组后测差值在所有维度上均好于对照组，且差异显著。其中，差异最显著的是转换维度，其次是抑制和刷新维度。

3.2.3 长期中等强度足球训练对不同年级小学生执行功能的影响

为考察长期中等强度足球训练对不同年级小学生执行功能的影响，以中年级和高年级作为组别，分别考察实验前后各维度的反应时数据，结果见表7。

表7 不同年级实验组前后测成绩比较

维度年级实验组前(M±SD)实验组后(M±SD)TP抑制中年级86.42±23.2971.12±19.203.61.00高年级80.88±22.3768.60±21.163.27.00刷新中年级864.73±150.64793.23±148.964.03.00高年级853.65±137.28813.95±154.332.17.04转换中年级1066.23±124.511023.77±95.883.80.00高年级1089.43±123.401053.50±148.701.84.07

从表7统计结果可以看出，中年级在3个维度的前后测成绩都出现了显著差异，高年级除转换维度没有出现显著差异，在抑制和刷新维度亦呈现前后测的显著差异。

3.2.4 长期中等强度足球训练对不同性别小学生执行功能的影响

表8 不同性别实验组前后测结果比较

维度性别实验组前(M±SD)实验组后(M±SD)TP抑制男79.43±18.4666.95±18.103.66.00女88.65±27.5273.65±23.053.06.01刷新男844.33±148.32793.35±154.932.99.01女879.08±130.67824.92±146.772.57.02转换男1075.20±122.321023.48±108.264.13.00女1088.12±127.091069.96±156.840.72.48

从表8统计结果可以看出，男生在3个维度的前后测成绩均出现了显著差异，后测成绩均显著好于前测成绩。女生在抑制和刷新维度的成绩出现了显著差异，后测成绩显著好于前测成绩，在转换维度，后测成绩好于前测成绩，但成绩提高幅度没有达到显著性。

4 分析与讨论

从统计结果上看，一次45分钟中等强度的足球训练并不能对小学生的执行功能起到显著的促进作用，而长期的足球训练则对小学生的抑制、刷新、转换功能起到显著的促进作用，提高幅度最高为抑制维度，其次是刷新维度，最后为转换维度。和以往研究相似的是，抑制控制这一指标相对灵敏[22][25][30][32]。身体锻炼的长期效应由此可见一斑，但是长期练习的积累效应在本次研究中未加研究，后续研究或许可以考虑。至于3个维度的不同提高水平，抑或与锻炼项目的选择有关，由此引发了另一个思考，即不同项目对执行功能的不同影响，锻炼活动对认知健康影响的剂量效应值得后续研究继续深入。

虽然选择了足球特色运动学校进行参与者的选择与测试，但是女性参与者仍是少数，这或许与人们对足球项目的刻板印象有关，认为足球是男性专属的项目。研究结果支持了长期中等强度足球训练对女生抑制、刷新功能的积极影响，而长期中等强度足球训练对男生的积极影响似乎是全方位的，且影响的幅度更大。这样的结果，一方面提示女生同样可以从长期中等强度的足球训练中获益;另一方面也提示，性别作为个人稳定的生物标签，其重要性有可能被忽略。例如，对106名6～15岁网球初学者的研究表明，总体上看，训练频率越高，工作记忆越好；训练年限越长，认知灵活性越好。但是，女生的抑制控制和认知灵活性好于男生；男生中，练习频率高的孩子，加工速度和抑制控制更好[32]。由此，健身益智效应的性别差异是否因项目而异，是否有必要在设置体育课程或推荐健身项目时针对性别加以考虑是今后深入研究的方向。即使锻炼的益智效果具有普适性，想要获得身体锻炼益智的最大化，应该适当考虑锻炼项目的性别特适性。由于研究条件所限，本次追踪的女性学生数量不够理想，今后研究中应增加女性参与者的数量，避免参与者人数可能对研究结果产生的影响。

从年龄差异来看，中年级的学生似乎获益更大。这不禁让人思考，是否越早干预获益越大。现有研究中，青少年和老年是认知功能干预研究的主要人群，但两个群体的认知发展任务显然不同，前者是抓住敏感时期促发展，后者是提前干预防衰退。目前更多的研究关注点放在体育锻炼带来的健身效果，而对体育锻炼益智功能的关注不够；对成年以后的“亡羊补牢”式的健康问题关注较多，对青少年阶段“未雨绸缪”的预防工作关注不够。

从现有研究成果情况来看，体育锻炼的益智研究仍处于初级阶段，如何在健身的同时促进认知功能的发展，其影响效果及作用机制仍需大量的实证工作加以补充。

5 结论

(1)单次45分钟中等强度的足球训练对小学男生执行功能的抑制维度具有显著的改善作用。

(2)长期的足球训练对小学生抑制、刷新、转换能力均有显著促进作用，促进最大的是抑制维度，其次是刷新维度，最后为转换维度。

(3)总体上看，长期中等强度的足球训练对各年级小学生执行功能均有促进作用，中年级的促进效应大于高年级。

(4)总体上看，长期中等强度的足球训练对不同性别小学生执行功能均有促进作用，男生的促进效应大于女生。