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中考体育要跟语文、数学、外语同等分值 ― 你每天的运动量达标了吗?

魏宏平(日本理化学研究所脑科学综合研究中心研究员)
2021-07-05

摘要:

  运动对健康的益处是大家熟知的,有很多研究表明运动对于身体的心血管、内分泌、呼吸、免疫等多个系统是有好处的。近年来,也有很多研究报道了运动对神经系统的益处。本文将从脑科学工作者的角度去谈谈运动对大脑的好处。

  2020年10月,中国教育部在新闻发布会上表示,体育在中考的比例要增加,达到跟语数外同分值的水平。已经有些地区开始实施,计划尽快推广到全国。发布会开完,“中考体育”立刻成了热点话题。

  这一政策的合理性和必要性,引起了大家广泛的关注和讨论。也有课外班迅速推出了各种新课程,比如“跳绳培训班”、“长跑速成班”等。

  教育改革及政策的制定和推行是需要多方协力的,具体如何实施更是难题。暂且不说这项举措的合理性、利与弊,它的推出引起了网上对体育锻炼的讨论,这就实现了目的之一 ― 提高人们对运动的重视

  2019年,世界卫生组织的报告显示,在来自146个国家的160万学生中,以每天运动1小时为标准,男生达标的有22%,女生只有15%。

  2020年11月,世界卫生组织在《英国运动医学杂志》上发表了《世卫组织关于身体活动和久坐行为的指南》(World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour),中文版关于青少年的部分总结如下图。

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  先来明确两个概念:

  • 身体活动(Physical activity):由骨骼肌肉产生的需要消耗能量的任何身体动作。
  • 锻炼(Exercise):有计划的,重复的,以维持或增强身体健康为目的的身体活动。

  本文后面所说的运动,是“身体活动”的简易说法。

  运动对健康的益处是大家熟知的。有很多研究表明,运动对于身体的心血管、内分泌、呼吸及免疫等多个系统是有好处的。近年来,也有很多研究报道了运动对神经系统的益处。本文将从脑科学工作者的角度去谈谈运动对大脑的好处。

1. 运动促进神经可塑性、学习和记忆

  神经(大脑)可塑性是学习与记忆的基础。先了解一下几个定义:

  • 学习:从外界及环境获取信息。这些信息可以维持一段时间,并在之后被重新提取。因此这些信息需要在大脑中被巩固(记忆的巩固)。学习是记忆形成的第一步。
  • 突触:大脑中的神经元(神经细胞)之间互相连接和通讯的结构。
  • 神经可塑性:神经细胞被外界环境和刺激所激活,细胞之间突触效能的增强或减弱,突触或细胞或连接网络的结构也会发生改变,它就是学习的生理学基础。学习之后,当再次出现同样的刺激时,这些突触再次被激活,就是记忆的再现。大脑及神经元这种针对外界刺激不断改变的能力就叫j做神经可塑性。神经可塑性从幼儿到成年人都存在,也是我们拥有无限可能的生理基础之一。

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(原图来自网络)

  1999年,Henriette van Praag跟她的同事发表的两篇文章中,阐述了跑步对小鼠大脑及学习的好处。

  他们在一组小鼠的房间里放置了跑步机,它们可以随时跑步,即拥有了跑步自由;而另一组小鼠房间里没有跑步机。四周之后,比较两组小鼠的大脑和行为发现:

  • 跑步组小鼠海马区长出了更多新生神经元,数量是不跑步组的两倍;
  • 跑步组小鼠在水迷宫行为实验中表现更好,说明它们的空间学习能力更优秀;
  • 跑步组小鼠的海马神经元表现出更强的长时程增强(LTP),LTP被认为是学习与记忆的神经机制。

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(van Praag H,1999)

*水迷宫行为实验:小鼠需要寻找隐藏在水中的平台,这个过程需要空间学习和记忆的参与。

  这些研究工作得出一个结论:跑步会让小鼠变聪明。那么问题来了:“跑步或者其他形式的运动会让人变聪明吗?”

  2012年Megan.M.Herting等人发表的一项研究工作中,他们比较了15-18岁儿童运动能力、大脑以及学习能力的关系。实验方法如下:

  • 测量运动时的最大耗氧量作为运动能力的指标;
  • 用脑成像的方法观察大脑结构;
  • 用虚拟水迷宫任务(类似电脑游戏)来检测空间学习能力。

  结果显示,运动能力强的儿童,脑内海马区的体积更大,并且在空间学习任务中表现更出色。而海马区被认为跟学习与记忆相关。

  上述研究工作揭示了运动能力和学习能力的相关性,如果要证明运动能增强学习能力,则需要更加严谨的对照实验。2011年Keita Kamijo等人发表的一篇研究中,研究人员把7-9岁的儿童随机分为两组:

  锻炼组(Intervention):每天放学后参与一项两小时的体育锻炼活动,包括心肺和肌肉训练等;

  对照组(Waitlist):不参与这项活动。

  9个月之后,检测锻炼组和对照组的各项指标,并和9个月之前做比较。结果显示:

  • 以最大耗氧量作为运动能力的指标。锻炼组的儿童比之前有大幅度增加,而对照组前后没有变化;
  • 进行Sternberg工作记忆实验,简单来说,就是回忆一个或几个字母是否在刚才出现过。

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(Kamijo,2011)

  黑线表示锻炼组,灰线表示对照组。9个月后,锻炼组的工作记忆的正确率比之前有明显增加,无论字母长度是1、3还是5,都能更好地回忆起来。而对照组,几乎没有变化。

  这项研究说明,放学后两小时,为期9个月的体育锻炼,不仅锻炼了身体,也锻炼了大脑。9个月是长期运动,那么问题又来了,短期或者单次运动,会不会马上奏效呢?

  在2015年Erin.K.Howie等人发表的一项研究成果中,96名9-12岁的儿童,被随机分为四组,在课间做不同的事,分别是5分钟锻炼、10分钟锻炼、20分钟锻炼以及10分钟静坐。通过比较他们在课间前后的小测验成绩,研究人员发现10分钟和20分钟锻炼组的儿童,数学成绩明显高于静坐组。

  综上所述,长期或者单次的运动,都可以增强学习能力。

2. 运动对于注意力、执行力、情绪等及其他影响学习的因素有正向调节作用

  运动除了可以直接影响学习与记忆,还能够影响与学习相关的其他认知功能,包括注意力、执行力、认知控制、情绪等。

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  Flanker任务(Flanker task)可以用来检测注意力。如下图:

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(图片来自网络)

  你会随机看到上、下两种图片,请将注意力放在中间的小鱼身上,然后判断它的朝向。这个测试看似不难,但要完成得又快又准确,则需要较好的注意力、对无关信息的滤过能力以及判断能力。研究表明,在Flanker任务中表现好的儿童,数学和语言成绩更好(Visier-Alfanso,2020)。

  那么,运动是否能促进儿童在Flanker任务中的表现呢?为了回答这个问题,研究人员把40名8-10岁的儿童随机分为两组,锻炼组在跑步机上快走20分钟,静坐组坐着看书20分钟,这前后分别让他们完成Flanker任务。结果显示,原本在Flanker任务中表现好的儿童,锻炼前后的准确率没有明显改变,但是原本在Flanker任务中表现一般的儿童,锻炼之后准确率明显提高;另外,无论之前的表现如何,在锻炼之后,他们的反应速度都增加了。结论是单次中等强度的锻炼提高了儿童的注意力和控制能力。

  除了健康儿童之外,研究表明,对于体重过重(Overweight)以及注意力缺陷(ADHD)的儿童,运动同样会促进学习。2011年Davis等人的研究工作中,开展了一项针对超重儿童的体育锻炼项目。把171名7-11岁的超重儿童随机分为三组,对照组、低强度锻炼组(每天20分钟)和高强度锻炼组(每天40分钟)。13周之后,比较各组儿童的成绩发现,高强度锻炼组的儿童,数学成绩以及执行能力高于对照组和低强度锻炼组。

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(Davis,2011)

  情绪,对于人类认知活动的很多方面有重要影响,比如感知、注意、学习、记忆、推理、解决问题等。从教育的角度来说,情绪很重要,因为它会影响学习。另外,情绪是儿童个性的一部分,儿童的情绪本身,也应该被视为一个教育目标

  有些儿童焦虑、感到压力、注意力缺乏,运动可以帮助儿童改善以上困扰。例如,运动能够帮助减轻压力和焦虑,促进正面情绪。原因可能是体育锻炼促进了内啡肽和血清素的释放。

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3. 运动健脑的机制

  运动为什么能够促进大脑的健康和功能呢?近些年对动物及人的研究工作表明,主要是通过了以下途径:

1)促进神经元生长。包括生成新的脑细胞,主要是海马区域;

2)促进一些因子跨过血脑屏障,从而影响神经可塑性。这些因子包括糖皮质激素, 雌激素, 内啡肽等,这些因子会影响神经可塑性;

3)促进长时程增强(Long-Term Potentiation,LTP),突触效能的长时程增强被认为是学习与记忆,以及神经可塑性的基础;

4)刺激神经可塑性相关的基因和蛋白质。比如脑源性神经生长因子(Brain Derived Neurotropic Factor,BDNF),被认为跟神经元的存活、生长和神经可塑性相关;

5)促进突触改变;

6)促进血管生成,从而保证足够的血液和营养能够被大脑利用;

7)激活内源抗氧化作用,从而保护大脑,降低疾病风险;

8)刺激神经递质传递,从而使突触传递更有效。

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4. 学校应该重视体育锻炼并提倡终身运动

  诸多研究工作都表明,运动能够促进学习和其他认知功能。那么该如何利用将这些研究成果转化并付诸实践呢?运动一定能提高学生们的学习成绩吗?

  已经有一些研究工作是把体育锻炼应用到教学实践中,用于检验锻炼对学习的作用。大数据告诉我们,尽管不是所有的体育锻炼都能提高学习成绩,但是已有足够的证据证明,有规律的中强度体育锻炼(比如每周3-5次,每次40分钟以上)能够提高儿童的认知功能(Wassenaar,2020)。

  哪种运动形式最有效?跑步、游泳、球类还是力量训练?体育锻炼是否能够提高成绩,可能除了运动形式之外,运动强度和频度也很重要。2020年,Sember等人的综述文章中还指出,体育锻炼是否能提高成绩,还取决于体育老师的专业程度。要想更好地发挥体育教育的优势,还需要更多更细致的研究。

  现在让我们回到中考教育改革的话题来。

  提高体育成绩在中考所占的比例,不是目的,只是方法之一。如果学校没有其他的举措来配合,只会让体育教育等同为应试教育,或者又把这个皮球踢给了课外培训机构,家长们难免会有更大的负担。

  另外,在运动和大脑的研究领域里,除了运动促进学习之外,另一个热门方向是运动对神经退行性疾病以及衰老的延缓和保护作用。体育锻炼同样能够增加成年人的新生神经元,经常锻炼的老年人,神经退行性疾病的几率要比不锻炼的同龄人低。因此,运动的重要性是一个全民课题,也是终身课题。想要实现这个远大的目标,就要从娃娃抓起,从学校做起。

  想要通过体育教育来促进积极的情绪和心理状态,促进学习和记忆,有效的途径包括:

  • 老师、学生、家长和所有的学校共同体需要了解体育锻炼和健康以及学习的关系;
  • 学校等教育场所应该提供一个安全且宽敞的空间让儿童们运动;
  • 增加体育课的课时,灵活应用单次锻炼,并聘用受过训练的专业老师来指导体育锻炼。

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写在最后

  《世卫组织关于身体活动和久坐行为的指南》中,针对各年龄层,包括残疾人士、慢性病患者和孕产妇等,都有具体的活动建议。见下图(此图是重点!):

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(图来自世界卫生组织官网)

  前面说过,提倡运动要从娃娃做起。那错过了娃娃时期怎么办?从今天抓起也不晚。什么时间运动好?哪种形式好?频率多少比较好?运动完的效果会不会立竿见影?在纠结这些之前,不如先“动”起来,先从座位上站起来,伸展一下肢体开始。把运动作为一项终身课题,相信我们都会找到适合自己的运动方式。

  有朋友抱怨过,自家的孩子不喜欢运动,想找方法提高孩子运动的积极性,即运动的内驱力。关于如何培养内驱力,请参考笔者之前的文章。

  每个孩子喜欢和擅长的运动形式可能不同,很难给出建议。但是有一招儿不妨试一试。家长先动起来,给儿童做个榜样,然后再拉着孩子一起动,是不是一举两得呢?比如,爬山就是一项非常好玩的运动,有氧训练心肺,攀降训练肌肉。途中的风景和,路况变化,也会让孩子有惊喜,累而不枯燥。能拥抱大自然,又能锻炼身体的爬山活动,是我们家每个假期的保留项目。根据自己的体能,做好充分的准备,选择合适的山,时刻记住安全第一,生命第一。 12.jpg

主要参考文献

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Yan, Z., Okutsu, M., Aktar, Y.N., Lira, V.A. Regulation of exercise-induced fiber type transformation, mitochondrial biogenesis, and angiogenesis in skeletal muscle. 2011. Journal of Applied Physiology.

作者简介

魏宏平 (日本理化学研究所脑科学综合研究中心研究员)

魏宏平 博士。现为日本理化学研究所脑科学综合研究中心研究员。2004年毕业于中国海洋大学海洋生命学院。2012年获中国科学院(上海)神经科学研究所神经生物学博士学位。攻读博士期间,以斑马鱼,果蝇等为模式生物,主要研究视网膜的发育及可塑性,果蝇同性求偶行为的生物学机制等。研究论文发表于《Neuron》,《PNAS》,《Journal of Neuronscience》等杂志。2012年博士毕业后,来到日本。在近3年的全职育儿生活之后,重新回归,开始在日本理化学研究所继续科研工作。2015-2017年,日本学术振兴学会外国人博士后研究员。2017年至今,理化学研究所特别博士后研究员。目前的工作是果蝇摄食行为中嗅觉和味觉整合的神经生物学机制。
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