一次性不同时长中等强度运动对超重儿童执行功能的影响

李焕玉，李卫东，沈鹤军，陈爱国，王积福

近年来，全球人口超重和肥胖率的增长速度，成为危机人类健康的公共卫生问题，这其中，从1980—2013年，儿童超重和肥胖率增加了近50%[1]。2017年《中国儿童肥胖报告》显示，1985—2014年，我国7岁以上学龄儿童肥胖率由0.5%增至7.3%，超重率也由2.1%增至12.2%[2]。研究表明，儿童超重肥胖不仅会产生与低自我效能/低自我形象、抑郁与同伴受害（欺凌）有关的社会心理问题和外在的行为问题[3-4]，以及葡萄糖耐量降低、Ⅱ型糖尿病、代谢综合症和心血管疾病风险等主要健康问题[5-6]，而且也与较差的执行功能问题相关联[7-10]。执行功能（Executive Function，EF）是一种有意识的控制机制，它采用灵活有效的方式协调不同亚认知过程，并调节人类复杂的心理过程，包括抑制、刷新和转换3个子功能[11]。从儿童早期到青春期的发展过程，执行功能在小学阶段发展最具活力[12]，且与个体身心健康[13]、学业表现[14-15]、社会化发展[16]和情绪控制等方面具有密切关系[17]。文献资料表明，相对于认知的其他方面，有氧运动训练对执行功能更为敏感[18]。为此，采用运动干预手段促进超重肥胖儿童青少年执行功能的发展与完善，已引起学者们的密切关注[19-22]。

有研究发现，中等强度急性有氧运动是一种简单的、有效的预防疾病和维护身心健康的方式[23-24]，对执行功能具有促进作用[25]。急性有氧运动又称短时运动、一次性运动，是指以增加体内氧气的吸入、输送和利用为主要目的运动，其持续时间在10~60 min，强度为50%～70%最大摄氧量（VO2max）[26-27]。国内外学者主要从运动项目、每次持续时间与强度等要素，探讨短时有氧运动干预对正常儿童或超重儿童执行功能的影响。国内外学者对正常体重儿童研究较为全面、系统。如运动项目方面，陈爱国等[28-29]发现，在学校情景中的篮球与跳绳运动对正常儿童执行功能都具有改善效果。运动强度方面，陈爱国等[29]发现，相对于“最大心率（220-年龄）×（50%~59%）”与“最大心率（220-年龄）×（70%~79%）”运动强度而言，“最大心率（220-年龄）×（60%~69%）”运动强度的效果更佳。运动时间方面，S.KUBESCH等[30]发现，一次持续30 min的有氧耐久运动对正常儿童抑制功能改善效果好于5 min；陈爱国等[31]采用中等强度短时运动对健康儿童执行功能的干预发现，30 min的效果好于15 min和8 min。然而，文献资料显示，国内外较少研究一次性运动对超重肥胖儿童执行功能的影响，其中国外有3篇文章[32-34]，国内几乎为空白。如L.A.GRIECO等[32-33]仅通过调查10~15 min体育锻炼与以静止行为为主的文化课对正常体重、超重或肥胖儿童的抑制任务反应时和文化课堂中专注任务时间行为的影响，发现超重肥胖儿童从体育锻炼课程中获得的益处大于正常体重。P.D.TOMPOROWSKI等[34]采用一次性时间为23 min中等强度的电动跑台运动进行干预发现，对超重儿童的转换功能影响效果不明显。国内外目前还没有相关研究探讨一次性运动对超重肥胖儿童执行功能影响的时间剂量效应。可见，学者们对运动项目与强度的观点较为一致，且多为研究正常儿童执行功能改善；运动持续时间方面，学者们在10~60 min区间探讨，观点还不尽相同。另外，在学校体育活动环境下，研究超重儿童执行功能运动干预的文献不多，国内更为匮乏。因此，需要进行更充分、可信的研究，深入揭示一次性中等强度运动干预对超重儿童执行功能改善的“时间剂量”，全面探析不同时长一次性中等强度运动干预对超重儿童执行功能各子功能的效果差异，实践考证真实学校体育活动情景中展开试验研究的可行性。

基于以往研究在运动项目与强度方面的干预成效，本研究采用“篮球+跳绳”组合方式[28-29]，心率为（220-年龄）×（60%~69%）运动强度[29]，探索不同持续时间（20 min和40 min）对超重儿童执行功能健康发展的效益，为促进超重儿童身心健康发展提供理论基础，为体育与教育主管部门制定超重儿童健康发展策略提供实践参考。本研究假设：一次性中等强度运动对超重儿童执行功能3个子功能具有“时间剂量”效益，40 min运动的干预效果优于20 min，20 min运动的干预效果优于非运动组。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从荆州市某小学4年级和5年级学生中筛选出80名（男40名，女40名）超重儿童作为研究对象。身体质量指数“超重”筛查标准为：四年级女生19.5~22.0，五年级女生20.6~22.9；四年级男生20.2~22.6，五年级男生21.5~24.1[35]。其他筛查标准：听力正常，无色盲和色弱，视力正常或矫正视力大于0.8，智力发育正常，无严重躯体疾病，无脑创伤、神经障碍及遗传病史，已掌握“篮球+跳绳”动作（学生在体育课堂已接受教师指导并练习），能够适应本试验的强度要求。

1.2 试验分组

根据各组中四年级、五年级人数相等与男、女生人数相等的原则，80名学生按照运动干预时间不同随机分为20 min对照组（非运动组）、40 min对照组（非运动组）、20 min试验组（运动组）和40 min试验组（运动组）。在相同课外体育活动时间段内，对照组在教室内自由活动，试验组在室外实施运动干预。

1.3 运动方案

运动干预方案的制定主要从频率、强度、持续时间和项目内容4个方面考虑，试验组具体运动干预方案：运动频次均为1次，运动强度均为（220-年龄）×（60%～69%），运动持续时间为20 min和40 min，运动项目内容均为“篮球行进间运球+8字跑跳绳”（见图1）。

图1 篮球行进间运球和“8”字跑跳绳图示Figure1 BasketballDribbling Forward and “8”Style of Run and Jump Rope

本研究选择的持续时间为20 min与40 min，目的是为了更好地推进《中共中央国务院关于加强青少年体育增强青少年体质的意见》[36]中提出的“大课间体育活动制度与每天锻炼一小时要求”的落实。小学的大课间时间为30 min，持续保持20 min中等强度练习是合适的；学生每天锻炼1 h，除去准备活动与放松，持续保持40 min中等强度练习是可行的。通过分析20 min与40 min中等强度练习对超重儿童执行功能的影响，探索大课间体育活动与每天锻炼1 h对促进超重儿童执行功能发展的可行性、必要性与科学性。

1.4 运动干预的有效度检验

本试验参与成员均经过前期培训，主训由该校参加省级比赛的教师担任，跳绳训练的摇绳者由实习教师担任，心率监控由课题组成员负责。参考国内外相关研究结果，确定本次干预中超重儿童中等强度运动标准：个体心率负荷设定为（220-年龄）×60%～69%[29]。运动实施过程中，每组随机选取6名（3男、3女）试验对象佩戴人体能量消耗仪（WGT3X-BT）进行全程监控，保障运动强度达到中等水平。通过对运动过程中试验组超重儿童心率均值的计算：20 min试验组约为最大心率的67.8%，40 min试验组约为65.9%，均达到中等强度负荷。

1.5 执行功能测量

使用陈爱国等[29]设计的Flanker任务、1-back任务和More-odd shifting任务，通过E-prime系统在相同机房的计算机上，按任务顺序依次完成对超重儿童抑制功能、刷新功能和转换功能的测量评价。评价指标均为反应时，测试值越低，代表该功能越好。

在每个任务测试前，由主试指导测试对象进行任务练习，直到所有测试对象正确率不低于85%后，开始进入正式测试；在每一任务之间测试对象可略作休息，测试总时间约40 min。

1.6 身心健康评价

（1）体质健康测试。按照《国家学生体质健康标准（2014年修订）》[35]的要求与标准，在2018年9—11月，利用体育课时间，以班级为组织单位，统一对学生的身高、体重、50 m跑、肺活量、坐位体前屈和1 min跳绳进行测试。80名试验对象的体质健康成绩来源于试验学校上报教育部的数据。试验学校负责测试的老师经过严格培训，明确测试流程、熟知测试标准与方法。

（2）Conners儿童行为问卷（教师用）[36]。包含28个条目，归纳为品行问题、多动、不注意-被动和多动指数4个因子。采用4级记分法：无记0分，稍有记1分，相当多记2分，很多记3分。由班主任对试验对象进行评定，并当天回收问卷，问卷回收率100%，问卷有效率100%。

1.7 试验程序

研究采用4（组别：20 min对照组、40 min对照组、20 min试验组、40 min试验组）×2（测试时间：前测、后测）混合设计，其中测试时间点为被试内因素，组别为被试间因素。试验过程包括前测、运动方案实施和后测3个部分。前测：在正式运动干预试验前1周，对80名试验对象进行人口统计学调查和身心健康评价，测量基础心率和执行功能。运动方案实施：在篮球场进行中等强度“篮球+跳绳”运动干预（见表1）。后测：干预结束后，试验对象回到计算机房休息，当心率恢复到“基础心率±10%”以内时，再进行执行功能测量。

表1 运动干预实施流程Table 1 Intervention Components and Timelines

1.8 数理统计与分析

采用Spss19.0对数据进行描述性统计、重复测量协方差、多元协方差和多重比较检验等分析，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 各组人口学变量、身心健康与体力活动状况的描述性统计

各组人口学变量、身心健康与体力活动状况的描述性统计见表2。以往研究结果发现，个体性别、年龄、体重指数（BMI）、心理行为、体力活动、体质健康与基础心率等因素会影响其执行功能[10，38-41]。因此，为排除干扰，以便科学探讨运动与超重儿童执行功能的关系，在后面检验过程中，把这些因素作为协变量处理。

表2 各组人口学变量、身心健康与体力活动状况的描述性统计结果（M±SD）Table2 Means and Standard Deviations for Demographic Variables

2.2 不同时长运动干预对超重儿童执行功能的影响

采用重复测量协方差对混合设计研究进行分析，检验不同时长中等强度运动干预对超重儿童执行功能3个子功能的效益。控制干扰因素后，检验结果发现：时间与组别对抑制功能的交互效应具有统计学意义[F（3，65）=3.219，P=0.028＜0.05]，对刷新功能的交互效应具有统计学意义[F（3，65）=9.648，P=0.000＜0.05]，对转换功能的交互效应具有统计学意义[F（3，65）=9.947，P=0.000＜0.05]。进一步对组别单独效应分析发现，各组别前测执行功能各子功能反应时均值不具有统计学意义，抑制功能F（3，65）=0.443，P=0.723＞0.05，刷新功能F（3，65）=1.202，P=0.316＞0.05，转换功能F（3，65）=1.341，P=0.269＞0.05。各组别后测执行功能各子功能反应时均值具有统计学意义，抑制功能F（3，62）=3.031，P=0.036＜0.05，刷新功能F（3，62）=16.416，P=0.000＜0.05，转换功能F（3，62）=8.641，P=0.000＜0.05（见表3）。

表3 各组前后测执行功能测量结果（M±SD）Table3 Means and Standard Deviations for Executive Functions by Groups

进一步多重比较检验发现，在抑制功能的后测反应时均值上，40 min试验组低于20 min对照组与40 min对照组，且具有统计学意义（P＜0.05）；40 min试验组与20 min试验组、20 min对照组与40 min对照组之间均不具有统计学意义（P＞0.05）。在刷新功能的后测反应时均值上，40 min试验组与20 min试验组低于20 min对照组与40 min对照组，且具有统计学意义（P＜0.05）；20 min试验组与40 min试验组、20 min对照组与40 min对照组之间均不具有统计学意义（P＞0.05）。在转换功能的后测反应时均值上，40 min试验组低于其他3组，且具有统计学意义（P＜0.05）；20 min试验组、20 min对照组与40 min对照组三者之间不具有统计学意义（P＞0.05）（见表4）。

表4 不同组别的执行功能各子功能后测反应时的多重比较检验Table4 StatisticalResults for Executive Functions by Groups

3 讨 论

本研究控制个体性别、年龄、体重指数（BMI）、体力活动、心理行为、体质健康和基础心率等干扰因素，从而使研究具有较好的内部效度。另外，试验是在学校真实情景中展开，试验内容是学生经常参加的运动项目，研究具有较高的生态效度。

研究结果验证本文提出的部分假设，一次性中等强度运动对超重儿童执行功能的积极作用具有“时间剂量”效益，且在各子功能上表现出不同时长的差异性，如20 min试验组对刷新功能的改善效果明显优于对照组，对抑制功能和转换功能的改善效果与对照组之间无明显差异；40 min试验组对抑制功能和刷新功能的改善效果明显优于对照组，与20 min试验组之间差异不明显，对转换功能的改善效果明显优于20 min试验组与对照组。从运动项目与强度角度分析，采用中等强度“篮球+跳绳”组合运动来获取超重儿童执行功能的良性发展效果是有可能的。以往研究表明，篮球与跳绳运动本身含有丰富的执行功能操作，不断强化训练可以促进儿童执行功能的良性发展[28-29，42]。众多研究也已证实短时有氧运动促进儿童执行功能发展，且中等强度效果最佳[29，43]，为唤醒水平假说和神经营养因子假说等理论所解释[44]。然而，从运动时间角度分析，本研究结果发现，在刷新功能上，20 min “篮球+跳绳”训练对超重儿童执行功能的刺激体现出了累积效果；而在抑制与转换功能上的时间积累效果不明显。这与以往研究结果不尽相同。较为基本一致的有，P.D.TOMPOROWSKI等[34]研究发现，一次23 min中等强度运动干预对超重儿童转换功能没有显著影响；C.L.DAVIS等[19]采用长期运动对超重儿童进行干预发现，低剂量组（20 min/天）对超重儿童认知评估系统中各维度的作用不明显。不一致的有，C.H.HILLMAN等[45]采用1次20 min中等强度有氧运动（跑台）对正常儿童进行干预，发现Flanker任务反应正确率显著提高，即提高了儿童的抑制功能。本研究结果表明，40 min运动能有效促进超重儿童执行功能各子功能的协调发展，这与以往研究结果部分一致，如C.L.DAVIS等研究发现，高剂量组（40 min/天）对超重儿童认知评估系统中的计划得分影响明显，而对其他维度影响不明显。另外，也与以往研究正常儿童执行功能改善具有趋同性，如陈爱国等[31]研究发现，30 min中等强度运动能促进正常儿童执行功能3个子功能的统一协调发展。究其原因，可能是超重与正常儿童身体机能、生理的差异，达到机体唤醒需要调动更多资源，而时间积累效应的真正机制尚不清楚，将来可从生理、生化与心理等角度进一步探究。

本研究结果发现，采用一次性中等强度运动促进超重儿童执行功能的健康发展，运动时间至少应在20 min以上，在20 min与40 min之间是否还存在运动时间阈值可以同时改善超重儿童执行功能的各子功能，需要进一步探析。因此，在超重儿童参与学校大课间活动时，建议采用一次运动时间为20 min以上中等强度的运动，才能对超重儿童执行功能的发展产生积极作用。另外，唤醒和认知功能之间的关系已经被描述为倒置的“U”函数，在这个函数中，适度但不高的唤醒水平可以提高心理表现[46]。而采用中等强度运动来改善超重儿童执行功能，在40 min以上的某个时间点是否会出现“最佳效果的拐点现象”也需要深入探究。因此，在超重儿童参与中等强度的课外体育活动时，建议关注可能出现的“时间过量”问题，才能保障运动改善超重儿童执行功能效果的时间经济性。

4 结论

一次性中等强度“篮球+跳绳”组合运动干预对超重儿童执行功能具有改善作用，且效果与运动时长有关，40 min运动干预对超重儿童执行功能各子功能的改善都具有累积效应，20 min对刷新功能的改善具有积极作用。研究结果证实了一次性中等强度运动，其持续时间越长对超重儿童执行功能的改善效果越佳，进一步揭示了运动时间与超重儿童执行功能各子功能发展的关系。同时，进一步验证了学校真实情景中开展运动干预的实效性与可行性。