體育運動

體育鍛煉時間不達标是影響我國青少年學生體質健康持續下滑的重要因素，原因之一是許多人認為參加體育鍛煉活動占用學習時間、拖“分數”的後腿。然而大量的調查研究和随機對照試驗研究表明，參加體育鍛煉活動能夠提升學生的學業成績，至少花在體育鍛煉上的時間不會對學業成績造成負面影響。但目前仍有不少人對這個結論産生質疑，需要将視野擴展到神經科學領域予以闡明。現代神經科學研究表明，體育運動能對腦結構功能、腦組織表觀遺傳學調控、大腦皮層活動模式以及學習相關心理因素産生有益影響，進而提升學生的認知能力和學業表現。研究結論可為“體育能夠提升學業成績”命題的合理性提供有效解釋框架，對破解青少年學生“要健康，還是要分數”的兩難選擇具有重大的理論和實踐意義。

一

體育運動對腦形态結構和功能的影響

研究發現，學生的學業表現與腦的形态結構和功能密切相關，并由神經元之間突觸聯結的強度與結構的可塑性所介導。與學習記憶聯系最為緊密的是中樞神經系統中的大腦皮層前額葉和海馬齒狀回，其中前額葉皮質控制着執行、思維、意向、情緒、工作記憶等認知功能；海馬齒狀回與學習記憶密切相關，兩者均在學業表現良好所需的認知能力（即學習、記憶和認知控制）方面發揮着關鍵作用。研究表明，運動可以重塑大腦海馬的結構與功能，改善情緒、增強記憶，對促進個體身心健康及認知功能具有重要意義。動物實驗發現，跑輪和跑步運動對腦神經元發生、軸突生長，樹突的複雜性、總長度和密度，突觸和神經網絡的可塑性，腦血管生成等有顯著的促進作用，可誘導前額葉皮層結構、皮層下結構、神經膠質結構等進一步優化，并誘導腦源性神經營養因子（BDNF）和胰島素樣生長因子的釋放，為認知功能的發展和調控奠定基礎。

人體試驗表明，兒童少年時期積極參與體育活動/運動能對海馬、前額葉皮層等大腦區域的血管生成、神經發生和突觸傳遞産生有益影響，同時可增加大腦多個功能區域的體積。MRI（磁共振成像）研究顯示，運動可引起兒童大腦形态結構（腦體積和重量、皮層厚度、不同腦區的溝回面積）發生變化，使海馬體積、基底神經節、額葉和頂葉皮質增大，并與認知和學業成績改善有關，其機制涉及細胞增殖/凋亡，樹突分支/修剪，突觸形成/消除，生長因子和髓鞘形成等。對健康兒童的研究表明，有氧運動水平較高的兒童雙側海馬體積更大，而随着海馬體積的增加，其與空間記憶功能的相關性也有所提高。此外，保持最佳的體育活動水平還可以刺激皮層以及皮層下神經發生、神經肌肉系統成熟，使原始反射和定型姿勢減少，注意力改善，并對提高大腦協調過程以及執行控制、任務行為和學業成績産生積極影響。與久坐少動的孩子比，經常參加體育鍛煉的孩子大腦白質更加完善，海馬網絡結構更複雜，新生神經元與現有神經元之間的聯系更密切，兩大腦半球之間交流更暢通，星形膠質細胞糖原儲存更豐富，大腦和小腦整體功能更完善，進而為學習、記憶、思維創建一個更為高效的大腦。還有研究顯示，一次 30 min的短時中等強度有氧運動即可增加兒童前額葉某些腦區( 如雙側額上回、雙側額中回等) 激活程度。随機對照實驗發現，高強度間歇訓練可顯著增加大腦的血流，進而為神經元提供更多的營養；有氧步行訓練可顯著提高腦組織最大氧氣使用率，增強其執行功能；慢性運動可通過誘導神經發生、膠質生成、血管生成、腦循環和生長因子産生等途徑促進認知功能，而急性運動可通過刺激迷走神經和肌梭，促進神經遞質釋放以及突觸标記或捕獲等途徑改善注意力和記憶功能。上述研究發現可在很大程度上解釋為什麼參加體育運動會對兒童少年的學業成績産生積極影響。

體育鍛煉對認知功能/學業成績影響的潛在機制

二

體育運動對大腦表觀遺傳學調控的影響

表觀遺傳學調控機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑和非編碼RNA調控等。規律的體育運動在控制包括大腦可塑性在内的腦神經重組中起着至關重要的作用，并與學習、記憶的形成和存儲有關。目前，多項動物實驗和人體試驗已經初步揭示運動如何通過改變DNA甲基化、組蛋白修飾和micro RNA(mi RNA)變化調控與神經可塑性有關的基因表達以及認知表現的表觀遺傳機制，為研究體育運動與學業成績的關系提供了新的理論和視角。

現有證據表明，體育鍛煉/運動作為一種強大的表觀遺傳調制器，能夠在表觀遺傳調控的各個階段起作用，誘導大腦結構和功能發生變化，進而在解釋運動改變大腦可塑性、認知能力和健康方面表現出巨大的優勢。

運動對神經可塑性和認知功能影響的表觀遺傳學機制

目前已經認識到，DNA甲基化在長期記憶中起關鍵作用。身體活動/運動可減輕記憶抑制基因的抑制作用，促進與大腦可塑性和記憶整合有關的基因表達。多項研究發現，運動能夠調控與突觸可塑性有關的基因表達，使記憶更加鞏固。可以通過改變腦源性神經營養因子（BDNF）的DNA甲基化模式，參與組蛋白乙酰化影響海馬齒狀回BDNF基因的轉錄和表達，對調節突觸可塑性和學習記憶具有重要作用；還可以通過激活信号級聯，重新編程大腦的甲基化模式，改變染色質構象和基因表達，調節認知功能所必需的基因轉錄，調控與突觸可塑性有關的基因，進而影響信息的儲存和記憶；也可以通過增加TET1基因（TET1）、α-酮戊二酸(α-KG)和Fe依賴的雙加氧酶在海馬表達，促進位于VEGFA基因（血管内皮生長因子A）啟動子的CpG島去甲基化，調節基因表達譜，使大腦的可塑性進程受益。

組蛋白修飾是組蛋白中翻譯後的化學變化，包括組蛋白甲基化/去甲基化，乙酰化/脫乙酰化和磷酸化，也是調節基因表達的重要機制。目前已經證明組蛋白乙酰化是長時記憶（LTM）的必要條件。研究發現，運動可以通過改變組蛋白乙酰化轉移酶(HAT)/組蛋白去乙酰化酶（HDAC)活性的平衡來促進染色質的允許狀态，使無數具有轉錄功能的基因轉錄激活，進而實現突觸可塑性和記憶力的改善。動物實驗表明，運動可增加海馬和額葉皮層的組蛋白乙酰化，從而改善行為任務中的記憶表現。例如，動物進行4周運動後，參與組蛋白乙酰化/脫乙酰化的酶活性顯著增加，這已被證明是決定BDNF表達增強的重要機制。

mi RNA是小型單鍊RNA分子，能夠抑制靶基因的表達。在過去的十年中，mi RNA已被認為是大腦内衆多生物過程的潛在調節劑，其範圍包括細胞增殖、分化、凋亡、突觸可塑性和記憶形成。人類和動物實驗證據表明，運動可改變幾種mi RNA的血液水平，通過調節miR21和miR-34a的海馬表達來減輕顱腦外傷和衰老對認知功能的有害影響，還有助于減輕與抑制神經發生和記憶形成有關的miR-124的增加。

三

體育運動對神經營養因子的影響

神經營養因子包括腦源性神經營養因子BDNF、胰島素樣生長因子（iIGF-1）、血管内皮生長因子（VEGF）等。在整個生命周期中，這些神經營養因子可通過刺激神經發生和血管生成調節神經元的結構和活性，并在促進突觸可塑性方面起關鍵作用。大量的研究表明，身體活動/運動作為一種刺激，可引起腦組織發生一系列化學級聯反應，通過産生多種營養因子以及炎症過程，誘導神經發生、血管生成和突觸形成，增強腦組織可塑性變化，進而對認知功能産生積極影響。BDNF是誘導的神經發生的重要神經營養蛋白之一，常被比喻為大腦的“肥料”，其主要作用是促進神經元的分化、再生、存活、生長，調節樹突密度，維持能量穩态，并确保腦細胞之間化學信息的正确傳遞，在維持神經元（包括海馬結構、基底前腦膽堿能神經元和藍斑病的NE能神經元）結構以及促進學習、記憶、推理和創造能力等方面起重要作用。有研究表明，運動誘導的BDNF 增加可能會促進神經元存活，增加細胞内鈣水平，促進轉錄因子，并誘導 mTOR 介導的 miRNA 翻譯以鞏固記憶。研究發現，運動有助于肌肉釋放 BDNF，促使循環血液中的BDNF增加。肌肉來源的BDNF可穿過血腦屏障 (BBB)，促進海馬BDNF表達、神經再生和空間記憶能力，在調節突觸前神經遞質釋放、誘發突觸後電流、誘導神經元去極化等神經可塑性方面起關鍵作用。

VEGF是一種血管生成蛋白，由周圍血管内皮細胞和腦細胞（包括星形膠質細胞、室管膜細胞和神經元幹細胞）合成并釋放。其主要功能是增強血管内皮細胞有絲分裂活性，影響血管内皮細胞增殖、存活和遷移，并具有神經營養和保護作用。運動會增加中樞和周圍組織中VEGF水平，并促進大腦神經發生和血管生成，還可能與BDNF相互作用以調節突觸可塑性。動物實驗發現，相對于非運動組小鼠, 運動組小鼠的大腦皮層血管更加豐富，表明運動能夠誘導小鼠大腦血管生成，提升單位時間内流經大腦的血液總量，可為腦細胞代謝提供充足的能量。

IGF-1也是中樞神經系統神經元功能的關鍵調節劑，主要來源于肌肉、肝髒和大腦，其主要作用是促進肌肉發達、神經發生、神經元存活和分化、神經傳遞、LTP增強效應以及增強包括BDNF在内的其他神經營養因子的作用。研究表明，運動中骨骼肌中的IGF1水平迅速上調，并在約5～10min達到峰值。循環中的IGF1可以通過血腦屏障轉運到大腦中，并引起大腦中的IGF1水平升高。

四

體育運動對大腦皮層活動模式的影響

我們知道，人類的大腦皮層具有高度的專門化功能定位，且其學習過程完全遵循大腦的活動規律，即始動調節、動力定型、鑲嵌式活動、優勢法則、保護性抑制等。研究表明，長時間用腦後若有10～20 min的短暫休息，可能會優化與學習成績相關的認知操作。在學習活動中，把語言與操作活動交叉進行，使看、聽、讀、寫、做、背誦和讨論多種學習方式不斷變換，或在課間穿插一些體育或文娛活動，可使各種腦力活動交替進行，使大腦不同區域的興奮、抑制不斷轉換，得到輪換休息，對減輕或消除與大腦學習有關的中樞疲勞狀态、提高腦的學習效率具有重要意義。Wennberg等比較了不間斷靜坐和中斷長時間靜坐後有短暫步行對成年人自我報告的疲勞、認知、神經内分泌生物标志物和心髒代謝風險标志物的急性影響，結果顯示，與久坐不動者相比，中斷長時間靜坐并有步行活動者疲勞程度更低。對青少年學生而言，上課前（例如在課間休息時間）參加體育活動與随後課程中的課堂任務行為之間存在正相關關系；課前僅5 min的中等強度運動即可對學生的課堂學習表現産生有益影響，進而使長達一小時上課時間内的學習效率、注意力、認知控制行為得到顯著提高，同時還可改善兒童的記憶力和學習狀态，其作用可持續長達60 min。一項荟萃分析結果表明，大多數形式的體育活動在上課之前就可顯著減少受幹擾學生的破壞性行為，同時對改善課堂行為也有積極影響，例如注意力、态度、專心程度、學習自律、拖延行為、沖動控制、執行任務行為、紀律問題等。因此，有人提出，體育活動應該排在“數學等重要科目之前，而不是在上學日結束之前”，而這種體育活動又被一些學者稱為學習準備型體育課(Readiness PE)。另外，Carlson等發現，基于10 min的課堂體育鍛煉與課堂上更好的任務和專注行為呈正相關；10～20 min體育活動後進行數學測試，被試者的數學得分比久坐者更高。由此可見，課前或基于課堂的體育活動對提高學生學習效率的作用不可小觑。

五

體育運動對認知功能的影響

認知功能是指有助于感知、記憶、智力和行動的一組心理過程，即接受、加工、貯存和應用信息的效率過程。一般認為，良好的認知功能是具備更好學習能力的先決條件和取得良好學業成績的基石，而學業成績又常被認為是對認知功能和能力更加全面的考量。認知功能主要包括記憶力、注意力，視覺空間和執行功能，而更複雜的認知過程還包括思維（抽象、因果、創造性思維、計劃）和語言功能。大量的研究表明，定期參加體育鍛煉能夠增強前額葉皮層（參與執行功能）和海馬區（在記憶和學習中起關鍵作用）的認知功能，提高創造性思維、制定決策、集中精力和檢索關鍵信息的能力，對提高大腦的整體效率具有重要意義。另有研究表明，雖然僅靠運動不能使學生變得更聰明，但它可以使大腦處于學習的最佳狀态；一次10 min的體育鍛煉就足以提高學生的注意力和解決問題的能力。荟萃分析發現，有氧運動與認知功能之間存在關聯，與注意力、處理速度、執行力和記憶功能之間呈正相關，而且很明顯；學生體育活動與認知表現的7個類别（感知技能、智商、成就、口語測驗、數學測驗、發展水平/學術準備程度等）之間呈顯著正相關。對一些群體，尤其是初中生（6～8年級，年齡11～13歲）和更年輕的群體，似乎從體育活動中受益更明顯。因此，體育活動引起的認知功能改變已被認為是一種改善學業成績的重要機制，也是增強兒童認知功能和學業發展的最簡單、最重要的方法。

執行功能主要指與前額葉相關聯，有意識地控制行為、思想和情感的一系列自上而下的認知加工過程。作為一個集合概念，執行功能包含實現目标導向行為所要求的一系列認知能力，如注意控制、幹擾抑制、認知靈活性、目标設定以及處理速度，流暢性等信息加工的具體方面。在認知功能範圍内，執行功能從體育活動中受益最大，其對學習成績的重要性也已得到充分證明。文獻表明，兒童少年有效的認知功能不僅需要足夠的智商（IQ），而且需要高水平的執行功能發展（例如動機、設定目标的能力和自我控制能力），而這一切均可通過從事體育活動/運動來培育。Meta分析顯示，體育活動對兒童的執行功能有顯著的積極影響，包括注意力、記憶力、語言和學業成績。

抑制控制是高級認知功能的核心，主要涉及與注意力、行為和情緒控制相關的高級心理過程。它不僅是兒童認知發展和學習成績的重要預測指标，也是成年後身心健康的重要标志。研究表明，處于生長發育時期的大多數兒童少年，在學習過程中容易造成分心：上課注意力不集中，對學習對象缺乏興趣，他們坐在椅子上四肢擺動、扭曲、敲擊、躁動不安、或離開桌椅，或無精打采、凝視窗外，總是試圖找到比學習對象更有趣的東西，成為影響學業成績的重要因素，而積極參加體育活動可以幫助他們克服學習過程中的“分心”。研究發現，定期參加體育活動可以提高學生在課堂上的注意力，減少注意力不集中和分心現象，還可以引起喚醒并減少無聊 。

解決數學問題需要工作記憶和持續關注，而閱讀理解不但需要工作記憶，還需要準确、流利的單詞解碼、語義記憶、詞彙積累和推理能力。強有力的證據表明，體育活動與認知任務的耦合可促進認知功能的發展。急性或慢性運動可改善依賴海馬體的長時記憶和聯想記憶；粗略和精細運動技能均與認知表現（例如空間工作記憶、語義記憶、持續注意力、反應時間/速度）之間存在顯著的正相關關系；較高的基線運動技能與更好的空間工作記憶存在正相關關系；有氧運動能力較高的孩子在記憶測試中表現出更高的準确性；童年時期高水平的體育活動與對相關材料有效編碼和檢索過程的卓越能力有關，增加3～5歲兒童的體育鍛煉可以改善他們的工作記憶。上述研究結論說明，體育運動是提升青少年學生認知能力的一劑“靈丹妙藥”。

六

體育運動對學習相關心理因素的影響

如上所述，參加體育活動可通過增加BDNF，增加海馬體體積和增加大腦皮層血流量來激活大腦，這可能會刺激學習，提高認知能力和推理能力，進而正向影響學業成績。但學習成績的好壞不僅僅取決于認知的高低，還取決于許多其他心理因素，例如動機、自尊、情感、情緒狀态、人格和社會因素，以及自我效能感、态度、行為能力、意圖、結果預期、社會支持和自我概念等，而參加體育活動對這些心理因素均能産生有益影響。經典觀點認為，自尊是學生動機、堅持性和學業成功的重要影響因素，而高水平體育活動通常與更高的自尊有關，被認為是體育活動和學業成績之間最強的中介，并與學生的學業和職業理想之間存在因果關系。還有研究表明，體育活動可以增強自尊，提高自我效能和社交能力，有助于建立良好的合作夥伴關系，對激發幸福感，減少焦慮和沮喪感，提供發洩和處理情緒的機會，以及壓力應對和逆境中的堅持具有積極作用，而這些社會心理學因素對青少年取得學術成就至關重要。Wang 等使用2015年中國國家教育質量評估（CNAEQ）的數據，包括數學（CNAEQ-MA 2015）以及體育與健康（CNAEQ-PEH 2015），探索了體育課程實施與學業成績的關系。結果發現，體育課程的實施通過心肺健康、健康生活方式、數學興趣和數學自信心與數學成績有間接的正相關關系，并一起解釋了數學成績27.8%的方差。

衆所周知，情緒低落以及負面情緒（焦慮、抑郁、羞恥、憤怒和絕望）會影響學習過程，進而影響學業成績。參加體育活動可以促進心理健康和塑造良好情緒，減輕焦慮與沮喪，使學生表現出更少的情緒障礙。研究表明，僅通過一次步行，參與者就報告焦慮（社交技能焦慮）有所減輕，使包括自我調節、合作、解決沖突、責任感和自主性在内的社交技能得到提升。此外，參加體育活動還可通過提高教育抱負、改善學習投入、減輕壓力，增加學習滿意度、改善同伴關系，灌輸領導、分享、團隊合作和寬容的特質提高學業成績。還有研究認為，體育鍛煉可通過降低負面情緒、增強同學間的互動、促進同學的積極行為、增強自信心4種渠道提升青少年學業表現。

七

結論與啟示

7.1 結論盡管參加體育活動對提升學生學業成績的影響機制在許多方面仍不十分清楚，但現有文獻證據基本能夠證實：體育運動可通過正向影響腦結構功能、腦組織表觀遺傳學調控、大腦皮層活動模式以及學習相關心理因素，達到提升學生認知能力和學業成績的目的。從這個意義上來說，腦神經科學研究證據不僅為我們理解“體育能夠提升學業成績”命題的合理性奠定了堅實的基礎，也可為“體教融合”政策的落地提供新的學理支撐。

7.2 啟示

1）體育鍛煉能提升學業成績有着深厚的腦神經科學基礎，随機對照試驗也表明，參加體育鍛煉活動能夠提高學生的學業成績，至少花在體育鍛煉上的時間不會對學業成績造成負面影響。接下來我們要做的工作是如何讓廣大的學生、家長、教師們知、信、行。在當前沒有完全破除唯分數的升學體制下，如果能讓學生、家長、老師、校長們明白“體育能夠提升學業成績”的道理，相信每天參加一定時間體育鍛煉對獲得好的分數有幫助，并付諸于行動，困擾我們多年的“學生體質健康水平持續下滑”和“學校體育邊緣化”等一系列問題就會迎刃而解。

2）盡管學界對當前我國高中、大學招生唯分數的做法進行過無數次的批判，但在現行招生錄取體制下，唯分數論的選拔觀念與唯分取人的制度實踐仍具有一定的合理性。我們認為，不管将來學校招生制度如何改，不看分數高低就能上重點高中、一流大學在未來若幹年内都很難實現。因此，能否考出好的分數成為能否上“重點”和“一流”的關鍵。于是乎，一切為分數讓路，犧牲睡眠、娛樂和體育鍛煉的時間成為常态，其結果必然導緻學生的體質健康水平持續下滑。對此，頂層設計者提出要将體育納入中考、高考強制執行，以引起青少年學生對體育的重視。這種“以毒攻毒”的無奈之舉其實是在搭應試教育的順風車，究竟效果如何，筆者不敢妄加評論。筆者在這裡質疑的是，難道說體育非要進入中考、高考才能引起學生、家長、學校的重視嗎？好的分數真的需要以犧牲學生的參與體育活動的時間和體質健康水平來換取嗎？體育、健康和學業成績之間真的水火不相容嗎？體育與智育就不能同頻共振嗎？筆者認為，之所以出現上述問題，關鍵是學校體育沒有找到自己的“賣點”，沒有看到體育能夠提升學業成績的價值。隻要讓廣大學生、家長、老師、校長們建立起參加體育鍛煉能讓學生在學業上取得更好成績和體育能讓學生的健康與學業成績兼得的信念，确保青少年學生每天體育鍛煉一小時也就不會再是什麼難事。

3）現有研究表明學生的體育鍛煉與認知能力和學業成績存在着量效關系。但遺憾的是，目前的證據仍無法确定改善學業成績所需的最理想體育鍛煉劑量。同時，學生好成績的取得也需要有足夠的學習時間作為保障。因此，體育鍛煉與認知能力和學業表現的量效關系、體育鍛煉時間與學科學習時間的理想匹配模式以及“8－1 ＞ 8”（即每天抽出1小時的學習時間進行體育鍛煉，學習效果大于 8 小時的單純學業學習）是否為最佳方案等一系列科學問題仍有待進一步闡明。

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