身体活动对幼儿认知发展和学业表现影响的系统综述

马 莲，唐 炎，胡小清，辛 飞，张丁毅

认知发展广义上指人的感知、注意、思维、想象等认知过程和品质的发展（黄希庭，2004）。学业表现是学生、教师或教育机构实现其教育目标的程度，通常通过考试或连续评估来衡量学习者对不同学科知识的掌握情况（Donnelly et al.， 2016）。幼儿阶段是身体、社会和认知发展的关键时期（Berk， 2017），也是建立健康行为模式的重要时期（Jones et al.， 2013）。幼儿时期的认知发展和学业表现对其人生发展至关重要（Telama et al.， 2014； WHO， 2017）。国外已有研究表明，身体活动对幼儿认知发展具有促进作用（Carson et al.，2016； Zeng et al.， 2017），但鉴于其存在纳入文献数量较少，质量存在中高偏倚风险，结果只涉及执行功能和语言能力等局限性，现有证据不足以明确身体活动与幼儿认知发展间的关系（Erickson et al.， 2019）。此外，近年随着学者对幼儿认知发展关注的提升，验证不同身体活动对幼儿认知发展（感知能力、注意力等）和学业表现（早期识字技能、数学能力等）各维度影响的研究增加，但仍鲜见对现有证据进行系统总结的研究。因此，本研究旨在利用半定量的系统综述方法就身体活动对幼儿认知发展和学业表现的影响进行科学的证据总结。

1 文献检索与筛选

1.1 文献检索

在 Web of Science、PubMed、Eric、SPORTDiscus、MEDLINE、Academic Search Premier、中国知网、万方、维普等9个中、英文数据库，检索2010年1月1日—2021年9月1日经同行评议后公开发表的中、英文文献。英文检索词（式）包括：1）preschool child OR preschooler OR 3 to 6 years old；2） physical activity OR exercise OR physical education OR game OR physical fitness；3） cognition OR cognitive OR perceived competence OR attention OR executive function OR inhibitory control OR cognitive flexibility OR memory OR language OR academic。中文检索词（式）包括：幼儿 OR 学龄前儿童；身体活动OR体力活动OR游戏OR锻炼OR运动；认知OR知觉OR智力OR观察力OR注意力OR执行功能OR抑制控制OR工作记忆OR认知灵活性OR学习OR语言OR学业成绩。共获得相关文献2 986篇（英文2 333篇，中文653篇），通过其他方式搜索后增补相关文献7篇（英文5篇，中文2篇），最终获得与主题相关文献2 993篇。

1.2 文献筛选

纳入标准：1）研究对象：3～6岁健康幼儿（患有慢性疾病、身体或精神疾病、超重和肥胖的幼儿排除）；2）干预标准：改变身体活动的形式、强度、时间和频次等（基于营养和睡眠等混合干预排除）；3）结果指标：包括认知发展（感知觉、注意力和执行功能等）或学业表现（语言和数学等）的任一指标；4）研究设计：干预类实证研究。

筛选流程：1）由1名研究人员剔除重复文献423篇，剩余2 570篇；2）由2名研究人员根据标题和摘要，剔除不直接相关文献2 485篇，剩余85篇；3）下载全文，由2名研究人员根据纳入标准进行筛选。如结果出现分歧时，根据纳入标准协商讨论，直到达成共识。最终纳入文献43篇（图1）。

图1 文献检索流程图Figure 1. Flow Diagram of Literature Search

1.3 文献质量评定

采用Cochrane制定的偏倚风险评估工具（谷鸿秋 等，2014）和ROBINS-I（王浩 等，2018）分别对纳入的RCT和非RCT文献进行方法学质量评估。由2名研究人员独立进行评估，当结果出现差异时，根据评分标准讨论，直到达成共识。

1.4 研究结果编码分类

根据Sallis等（2000）关于身体活动与相关因素关系的证据强度分类规则，就身体活动对幼儿认知发展和学业表现影响的证据强度进行编码分类。若身体活动干预后，研究报告结果变量在组间或/和干预前后有显著差异，根据影响方向编码为＋或-；若无统计学差异，编码为0。再根据编码结果统计影响强度可分类为影响强度不显著（00）、影响强度不明确（？？）、强正向影响（＋＋）和强负向影响（--）。

2 结果

2.1 身体活动干预类型

对纳入文献中不同身体活动干预类型进行归纳分类：1）根据干预内容分为运动型干预和体智型干预。运动型干预是只以运动为干预内容，通过改变运动类型、时间、强度等作为干预变量，多见于认知发展结果研究。体智型干预指在认知性知识学习中融入身体活动，以认知性知识学习为主，只见于学业表现结果研究。2）运动型干预可根据干预时间分为单次短时干预和多次长时干预，单次短时干预类型只见于执行功能和注意力结果研究，单次短时和多次长时干预比较只见于执行功能结果研究。参照Best（2010）的研究分类，还可根据是否有认知任务参与将运动型干预分为简单有氧型运动干预（sim-ple repetitive aerobic exercise， SIM）和认知参与型运动干预（cognitively-engaging exercise， COG），此类型比较只见于执行功能和注意力结果研究。SIM指重复简单的动作练习，对认知需求较少，如行走、跑步或跳跃等。COG指运动中需要引导更多的认知参与以满足运动任务不断变化的需求，如协调类练习、足球等。3）体智型干预包括体智融合型运动干预（integrated physical exercise condition，IPE）和体智结合型运动干预（non-integrated physical exercise condition， NIPE）。IPE 指在学习认知性知识时，进行与学习任务相关的运动。如学习外语单词“飞”时，幼儿张开双臂跑动。NIPE指在学习认知性知识时，进行与学习任务不相关的身体活动。如学习外语单词“飞”时，幼儿只需在教室里按要求跑圈即可。

2.2 文献质量评价

2位笔者对43项文献的方法学质量评估一致率为96.5%。RCT文献测评结果：1）只有4项研究对随机序列和分配隐藏进行了说明（周龙峰 等， 2021； Keown et al.，2020； Mulvey et al.， 2018； Wen et al.， 2018），其余研究均未描述具体相关信息。2）25.0%和7.1%的研究分别在实施偏倚（刘瑾彦，2015；王佳丽 等，2010；Costa et al.， 2015；Mulvey et al.，2018；Pasichnyk et al.，2015；Toumpaniari et al.，2015； Xiong et al.， 2017）和随访偏倚（Callcott et al.， 2014；Mavilidi et al.， 2015）条目上缺少相关信息而判定为“不清楚”。非RCT文献测评结果：只有1项研究存在高风险偏倚（Draper et al.， 2012），26.7% 的研究被评定为“无信息”（孙影 等 ， 2015； Bedard et al.， 2017； Gao et al.， 2019b；Vazou et al.， 2017），其余研究均为低风险偏倚。

2.3 研究特点

发文量增长态势明显，尤其是2016—2020年发文量占比为62.8%。发文最多的国家分别是中国（12篇）、美国（9篇）和澳大利亚（5篇）。超一半的研究采用RCT研究设计（65.1%）。纳入文献的样本总量为4 957人，单项研究样本量从10人到1 029人不等，中位数为70人；样本规模在50～100人的研究占比最多（44.2%）。28%的研究报告了身体活动结果。43项研究中有1项研究测评了幼儿认知能力和学业成绩（Hudson et al.， 2021），其他 26 项认知结果研究和 16 项学业结果研究中，有 5 项（Kirk et al.，2013；Mavilidi et al.， 2015， 2017； Mierau et al.， 2014；Palmer et al.， 2013）与 Carson 等（2016）和 Zeng 等（2017）纳入的文献重合，重合率为11.6%。

2.4 干预特点

2.4.1 认知发展结果研究

27项相关研究中有4项单次短时运动型干预研究，结果指标为注意力（Mierau et al.， 2014； Palmer et al.， 2013）（有效率为 50%）和执行功能（Stein et al.， 2017； Tandon et al.， 2018）（均为无效干预）。23 项多次长时运动干预研究中有3项SIM（赵梅玲， 2020； 周龙峰 等， 2021； Wen et al.，2018），有效率为66.7%；其他21项为COG，有效率为87.5%（表1、表2）。

表1 纳入文献基本特征Table 1 Basic Characteristics of Included Literature

表2 身体活动对幼儿认知发展的影响结果Table 2 Effect of Physical Activity on Preschooler’s Cognitive Development n=27

2.4.2 学业表现结果研究

17项相关研究皆为多次长时干预研究，其中有5项COG（孙影 等， 2015； Battaglia et al.， 2018， 2020； Hudson et al.， 2021； Kenanoğlu et al.， 2021），有效率为 80%。其他均为IPE，有效率为100%，其中4项包含NIPE，有效率为50%（表1、表3）。

表3 身体活动对幼儿学业表现的影响结果Table 3 Effect of Physical Activity on Preschooler’s Academic Performance n=17

2.5 身体活动对幼儿认知发展的影响结果

幼儿认知结果主要集中在执行功能、感知能力和注意力3个领域。27项研究中有20项（74.1%）报告了干预组，至少1项认知结果后测相比前测和/或控制组后测显著提高。

2.5.1 执行功能

16项相关研究编码统计结果显示，身体活动对幼儿执行功能的抑制控制有积极影响，对工作记忆和认知灵活性的影响尚不明确（表4）。区分干预类型后再次编码发现：单次短时干预（Stein et al.， 2017； Tandon et al.， 2018）和多次长时 SIM（Wen et al.， 2018）对幼儿执行功能不存在显著影响，但多次长时COG均为有效干预。赵梅玲等（2020）的研究对比了COG和SIM对幼儿执行功能的影响，发现COG相比SIM对幼儿执行功能影响更优。只对多次长时运动干预结果编码统计后发现，超过70%的文献显示，多次长时COG对幼儿抑制控制（81.8%）和认知灵活性（71.4%）均有正向影响。

表4 身体活动对幼儿认知发展和学业表现影响的证据强度统计表Table 4 Evidence Strength of Physical Activity on Preschooler’s Cognitive Development and Academic Performance n=43

2.5.2 感知能力

7项相关研究均为多次长时COG，其中有1项研究包含了 2 种干预方式（定向运动和舞蹈）（Zach et al.， 2015）。62.5%的现有证据表明多次长时COG对幼儿运动感知能力无显著影响。幼儿社会支持感知能力方面，Xiong等（2019）的研究发现，体感游戏对幼儿社会支持感知能力有正向影响，但Vazou等（2017）的研究却未得出积极的结论。因此，证据有限而尚不能明确身体活动对幼儿社会支持感知能力的影响。

2.5.3 注意力

7项相关研究均为COG，虽然Mierau等（2014）的研究发现幼儿注意力不受单次短时COG的影响，但近90%的现有文献表明多次长时COG对幼儿的注意力有正向影响，且COG相比SIM对幼儿注意力的影响更优（赵梅玲，2020）。

2.6 身体活动对幼儿学业表现的影响结果

学业表现结果主要集中在识字技能、语言和数学3个方面。17项研究中有16项（94.1%）报告了干预组后测显著高于前测和/或控制组后测。

2.6.1 识字技能

7项相关研究中2项为COG，有效率为50%。其他5项研究均为IPE，皆属有效干预。85.7%的证据支持IPE对幼儿识字技能有正向影响。

2.6.2 语言能力

9项相关研究中2项为COG、7项为IPE，有效率为100%。3 项 IPE 研究中还包含 NIPE（Mavilidi et al.， 2015，2016， 2017）。对比两类运动干预对幼儿语言能力的影响结果发现 ，IPE 相比 NIPE 更有效（Mavilidi et al.， 2015，2017）。91.6%文献结果表明，IPE和COG对幼儿的语言有正向影响。

2.6.3 数学表现

3项相关研究考察了体智型干预和COG对幼儿数学表现的影响，其中1项研究包括2种干预类型（IPE和NIPE）（Mavilidi et al.， 2018）。虽有3 项研究结果表明 IPE和COG对幼儿数学表现有正向影响，但因相关研究数量有限，尚未得出明确的评判。

3 讨论

本研究证实了身体活动对幼儿执行功能和语言发展的积极影响（Carson et al.， 2016； Li et al.， 2020； Zeng et al.，2017），并进一步发现相比单次短时运动干预，多次长时COG对幼儿执行功能有更显著的影响；多次长时COG对幼儿注意力也有正向作用，但对幼儿运动感知能力无显著影响；此外，IPE相比NIPE对幼儿的学业表现有更积极的影响。

执行功能是一系列自上而下的心理过程（Espy， 2004），通常包括抑制控制、工作记忆和认知灵活性（Miyake et al.，2000），被认为是更高级别的认知过程（Diamond， 2013），与儿童的入学准备和学业成绩相关（Diamond et al.， 2016；Hillman et al.， 2016）。本研究发现，多次长时 COG 相比单次短时和SIM对幼儿执行功能的促进作用更显著，这是对前期 2 项系统评价（Li et al.， 2020； Zeng et al.， 2017）的证实和有价值的延伸。本研究纳入了单次短时运动干预研究，对比短时和长时运动对幼儿执行功能的影响，为这一研究领域提供了更多有价值的信息。目前相关研究表明，单次短时运动对学龄儿童执行功能有低中度的积极影响（De Greeff et al.， 2018），但本研究发现，单次短时运动对幼儿的执行功能无显著差异，甚至Tandon等（2018）的研究结果显示，单次短时运动干预与3岁幼儿的抑制控制结果呈负相关。幼儿相关的横断面研究也支持这一结论（Cook et al.， 2019； Willoughby et al.， 2018）。以上不同的发现可能与研究对象的年龄相关，原因如下：1）与研究对象的心理发展特征相关。有研究发现，运动对执行功能的功效取决于儿童的发育状况，发育更好的儿童执行功能更易受身体活动的积极影响（Best， 2010； Tomporowski et al.， 2008）。相比学龄儿童，幼儿抑制能力较弱，在抑制任务过程中更易分心和出错（Berk， 2017）。因此，幼儿受身心发育限制而致使其执行功能可能不受单次短时运动刺激的影响（Stein et al.， 2017）。2）幼儿可能对超出平常强度的单次短时运动会产生过度反应，从而影响幼儿在认知任务中的表现（Tandon et al.， 2018）。可见，幼儿的执行功能可能因身心发育不成熟而在单次短时运动中受益不显著。

有证据表明，多次长时COG更有助于儿童和成人执行功能发展（Diamond et al.， 2016； Li et al.， 2020）。目前，对出现这一结果较认可的解释：1）通过身体活动固有的认知参与提高参与者的认知能力。如多次长时COG因需要分配更多的注意力（Tomporowski et al.， 2015）而更有益于幼儿执行功能的发展。青少年儿童的相关研究也证实了这一推断（De Greeff et al.， 2018； Vazou et al.， 2016）。2）作用机制的解释。多次长时COG会引起促进认知功能改善的大脑生理变化，如增加海马体积（Erickson et al.， 2009），促进海马神经、小脑和大脑皮层增长（Carey et al.， 2005），增加脑内血流量（Lambrick et al.， 2016），诱导神经递质如胰岛素样生长因子、血管内皮成长因子和脑源性神经营养因子上调（Berchtold et al.， 2005； Ding et al.， 2006）等。因此，为了促进幼儿更高级别的认知能力-执行功能的发展，未来需要督促幼儿多频次长时间的进行COG。

通过进一步分析发现，不同类型的多次长时身体活动都可能提升幼儿的运动感知能力。感知能力是儿童对自己在学习或完成某些任务时能力表现的一种自我评价信念（Harter， 1982），运动感知是幼儿对完成某运动任务能力的自我评价，与幼儿实际的运动技能表现高度相关（Gao， 2008）。深入分析5项无效研究发现，干预组和控制组都进行了身体活动，干预组是有组织的COG，而控制组也参与了身体活动。5项研究结果表明，干预组和控制组幼儿的运动感知能力无显著性差异，可能并不是身体活动不能促进幼儿运动感知能力。相反，恰恰可能是因为任何类型的长时间运动都能促进幼儿运动感知能力。学龄儿童的相关研究也表明，身体活动与运动感知能力呈正相关，且运动感知能力受身体活动的影响力较大（Stein et al.， 2007）。人类的运动、认知和学习是密不可分的，尤其是幼儿主要通过感觉运动来处理和认知环境（Thelen et al.， 2001）。因此，感知运动作为幼儿认知和学习的基本方式，不管身体活动方式如何，都可能促进幼儿的运动感知能力。基于此，可推断任一类型的多次长时身体活动都可能提升幼儿运动感知能力，但仍需更多相关研究来验证这一推断。

本研究发现，IPE相比NIPE对幼儿的学业发展有更积极的影响。学龄儿童的相关研究也支持这一结论（Have et al.， 2018； Riley et al.， 2015）。Have等（2018）在小学生数学学习中融入相关身体活动，如采用跳绳学习加减法，赋予单腿跳1次计数1（个位数），双腿跳计数10（十位数），当单腿跳4次，双腿跳2次，计算结果是24，还通过方向（向前/后跳）表示加或减等。研究发现，此类IPE对小学生的数学能力有极大的促进作用。主要是IPE相比NIPE更增进了认知和运动的融合，是具身认知理论的实践。具身认知理论认为，人们从身体和物理环境的相互作用中学习（Anderson， 2003； Gallagher， 2005），IPE 遵从了这一学习原则。幼儿在执行与学习相关的动作时，大脑的视觉和运动知觉都参与其中，语义代码在特定的动作中被激活，促进动作与学习内容的表征构建，从而增强学习内容的再现（Mavilidi et al.， 2018）。如幼儿通过 IPE学习数学知识时，数学概念根植于身体、空间系统和情景动作，使得其在数字理解上呈现具体化、空间化的特征，进而将数学知识与现实世界联系起来，以此增强了幼儿的数学洞察力（Smith et al.， 2014）。此外，IPE 不仅可以提高儿童的心理表征构建，还可以帮助其获得更丰富的认知图式和增强记忆的编码、保持和提取能力（Madan et al.， 2012； Zacharia et al.， 2012）。已有研究表明，认知学习过程中加入手势动作可以减轻工作记忆的负担，释放用于建立更深层理解的工作记忆资源（Cook et al.， 2008；Paas et al.， 2012）。幼儿在 IPE 学习中还受镜像神经元系统的作用，通过观察同伴和老师的动作激活运动皮层中动作相关的神经元（Rizzolatti et al.， 2004），因动作和知识的相关性，观察到的动作支持这些动作在心理的认知模拟，从而增强运动与知识的联系，促进幼儿知识学习的效率。

尽管本研究采用半定量的方式总结了身体活动对幼儿认知发展和学业表现的影响，发现多次长时COG和IPE均更能促进幼儿的认知发展和学业表现，但仍存在一些不足：1）由于受时间和检索语言限制，本研究只纳入了近10年的中、英文文献，可能导致评价证据不够全面。2）不同的研究对幼儿认知能力，如执行功能和注意力采用了不同的测评工具，在一定程度上对同一结果指标的横向比较造成了困难，也对本研究的结论总结带来了一些不确定性。3）纳入文献在方法学质量上存在一定的偏倚风险，会对干预的有效性和结果判断造成一定影响，需对研究结果谨慎解读。

4 结论与建议

4.1 结论

1）多次长时COG对幼儿的认知能力有正向影响；研究证实，相比单次短时运动和SIM，多次长时COG更能促进幼儿执行功能的发展；强有力的证据表明，身体活动对幼儿注意力有正向影响，且COG相比SIM效果更好；任何类型的身体活动都有可能对幼儿的运动感知能力有积极作用，但还需相关研究加以证实。

2）IPE和COG对幼儿的学业表现有积极影响；相比NIPE，IPE对幼儿学业表现的影响更积极；强有力证据表明，IPE对幼儿的识字技能、语言能力都有正向影响；IPE对幼儿数学表现也有正向影响，但支持证据有限，尚需更多相关研究进一步证实。

4.2 建议

1）持续深入扩展对我国幼儿认知领域的研究。我国现有研究更多集中于幼儿执行功能的某一个维度，虽然已有研究内容开始涉及幼儿感知能力，但数量有限。为了我国幼儿教育的科学发展，相关研究应拓展研究领域，探索身体活动对幼儿认知发展其他维度的影响，为我国幼儿认知发展提供更多的理论支持。

2）从SIM向有组织的多次长时COG模式转变，促进幼儿认知发展。本研究发现，身体活动对幼儿感知能力的影响虽不受身体活动类型的影响，但对于高阶认知能力，有组织的多次长时COG更有效。因此，建议国内相关研究调整干预范式，增加有组织的多次长时COG研究，为促进我国幼儿认知发展提供更科学的理论依据。

3）探索IPE教学模式，提升幼儿学业发展。研究发现，IPE对幼儿学业表现的影响更积极。然而，目前我国鲜见对幼儿进行IPE的相关研究报道。鉴于IPE对幼儿学业表现的积极影响，建议今后相关研究考虑在学科学习中融入相关的身体活动，将运动和知识分离的教学模式转变为运动与知识融合的一体化教学模式。