儿童青少年教育一直都是我国教育领域高度关注的重点问题，也是体育科学的重要研究课题。近年来，体育运动作为促进身心健康的有效途径之一，逐渐受到人们的普遍认可，已成为学校教育中不可或缺的关键环节。2016年，中共中央、国务院印发《“健康中国2030”规划纲要》，为加大学校健康教育力度，将健康教育纳入国民教育体系，并作为所有教育阶段的素质教育的重要内容^[1]。然而，当前我国儿童青少年健康问题依然严峻，随着经济的迅猛发展和生活便捷性的增加，超重、肥胖儿童青少年数量逐年增长。有研究^[2]发现，2017年我国儿童青少年超重率为12.2%，肥胖率为7.1%，且存在地域差异，最高地区可达27.9%。《2015年中国青少年健康体重调查报告》显示，体重正常人数比例甚至不足50%。肥胖不仅易导致青少年罹患其他生理疾病（如脂肪肝、糖尿病、心血管疾病等），还会对大脑健康造成损害，影响儿童青少年认知功能的发展^[3-5]。虽然近些年我国儿童青少年体质健康态势稍有回升，但“亚健康”状况仍十分严峻，“体育运动缺乏”已成为儿童青少年肥胖、慢性病低龄化的主要成因^[6]。同时，我国青少年近视人数也呈逐年递增趋势。2020年，国家卫生健康委员会发布的《中国眼健康白皮书》数据显示，我国儿童青少年近视总体发生率为53.6%，大学生超过90%，然而其中80%的眼病可防可控。采取相应措施减缓近视人数增长速度，提高儿童青少年的健康用眼意识已然成为当务之急。

20世纪50年代以来，体育运动对儿童青少年身心健康的效益逐渐成为体育科学的热点话题。在儿童青少年成长过程中，学习效益一直是家长和学校关注的问题，然而在影响学习成绩的诸多因素中，体育运动一直被忽视。越来越多的研究^[7-10]表明，参与体育运动能有效促进学习成绩的提高，体育运动促进大脑功能效益逐渐被大量实证研究证实。儿童青少年阶段是认知能力发展的关键时期，认知能力的发展直接影响学业成绩，体育运动可有效促进大脑认知功能，发展儿童青少年认知能力。Donnelly等^[11]的一项对1 490名青春期前儿童进行的为期2 a的随机对照试验发现，相较于课堂上不参加体育活动的儿童，经常参加体育活动的儿童总体学业成绩有所提高。Best^[12]分别考察了急性身体活动（acute physical activity）和认知参与在干预儿童执行功能中的作用，发现认知参与程度对认知功能测试成绩无影响，而急性身体活动（如运动游戏）提高了儿童解决视觉空间刺激冲突干扰的认知速度，同时，通过不同年龄对比发现，随着年龄的增长，解决干扰的准确性和总体反应时间均有所提高。“体教融合”是为加强体育教育、推进素质教育提出的新举措，将体育与教育相融合，体现了当前学校教育人才培养的综合性目标。随着认知神经科学的发展，众多脑科学证据^{[7, 13-16]}表明，体育运动可提高儿童青少年的脑细胞活性、改变大脑结构，从而提高注意力、改善认知功能、缓解压力等。体育运动在提高身体素质的同时，还能促进心理健康发展，帮助儿童青少年健康成长，通过促进大脑发育，提升学习效益，这也是实现体教融合目标的重要路径。因此，体育运动如何通过促进大脑神经活动及结构功能来提高学习成绩，是当前体育科学和认知神经科学领域亟待解决的热点问题。

1 体育运动提升大脑功能效益的生理机制

体育运动能对大脑结构和功能产生持久效益，是促进身心健康的重要手段。体育运动对大脑的影响效益体现在提高神经系统中细胞、分子和神经回路的机能以及改变大脑结构和功能连接等多方面，在提高儿童青少年认知功能上起到了重要作用^[17]。欲揭示体育运动促进儿童青少年大脑效益提升的生物学机理，关键在于对大脑神经系统结构及功能的理解，这是解释体育运动促进大脑发育机制的重要途径。

1.1 体育运动提升大脑细胞和分子层面效益

体育运动如何诱发细胞和分子水平的变化，以及这些变化如何影响认知功能？解答这一问题是揭示运动提升大脑功能效益的前提。多数研究^[18]发现，体育运动可通过增加神经递质含量，改善细胞血流环境，促进神经胶质细胞再生，提高突触可塑性等，为大脑提供充足营养和能量，同时提高大脑可塑性，而这些效益多与认知功能增强有关。例如：Kronenberg等^[19]发现，体育运动增加了神经发生的概率；另有研究^[20]发现，与不运动的对照组相比，跑步干预提升了小鼠海马神经发生、脊神经密度、突触可塑性和神经营养蛋白水平，同时提高了其空间记忆能力。

神经系统进行生命活动的必要前提是营养的获得和能量的利用^[21-22]，运动改变大脑细胞和分子机制的首要影响因素是神经营养因子[脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）]。BDNF和VEGF水平可通过运动进行调节^[8]：BDNF可引起细胞内的生化反应，扩展树突棘和轴突等神经结构^[23]；VEGF作用于血管壁的内皮细胞，可促使细胞分裂并生成新的血管^[24]。BDNF大量存在于海马和负责高级认知功能的脑区，可支持神经细胞存活、生长和调节突触可塑性^[25-26]，在体育运动提高大脑可塑性和认知功能方面起到促进作用。Neeper等^[27]首先证明了身体活动和BDNF水平之间的正相关关系，后续研究^[28-30]还发现，无论在进行短时间（2~7 d）还是长时间（1~8个月）的连续或交替跑步运动后，海马中BDNF水平和蛋白表达水平均升高，且在运动结束后至少2周内持续升高^[9]。同时，其他生长因子，如胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）也参与体育运动促进血管变化过程，对优化血流环境起促进作用。组织学和影像学技术研究^[31-32]还发现，运动提高血管系统功能也同样出现在大脑运动皮层和纹状体中。

神经胶质细胞在神经元代谢支持和调节突触效能等方面也发挥着重要作用，其生长模式与突触、神经结构相似，只在学习过程中才会扩大体积^[33]。运动时大脑会产生大量内源性大麻素和内啡肽，通过改变神经递质的释放影响其在中枢和外周血液中的水平，促进血管新生和神经发生，在缓解不良情绪状态的同时获得奖赏、镇静和欣快的效果，进而改善大脑中奖赏、认知控制等高级认知环路的功能^[34-36]。

1.2 体育运动提升大脑结构和功能效益

体育运动对大脑功能的提升效益不仅体现在微观细胞和分子层面，还反映在大脑结构和功能的改变上，而形态解剖学和脑成像技术为更宏观、系统地了解运动改变大脑功能提供了依据。其中，体育运动对海马的影响与学习效益直接相关。海马是记忆形成和空间导向必不可少的大脑区域^[18]，是一种与记忆和压力调节有关的大脑结构。有氧运动可诱导海马体积和血管系统的结构变化^[8]。早在1999年就有研究^[37]发现，在老鼠的海马体中，自主转轮运动可显著增加新生神经元的数量。同时，急性有氧运动和长期运动也可影响BDNF的活性，在抑郁和焦虑的啮齿动物模型中，自主转轮运动与海马BDNF水平呈正相关^[38]。体育运动还可抑制大脑中杏仁核的活化，阻止压力、恐惧、焦虑等负面情绪的出现^[36]。

体育运动除对运动相关脑区的结构产生影响^[18]外，还可影响涉及高级认知功能相关脑区的激活模式及其功能连接^[39-40]。基于全脑和体素的形态测量学研究报道了身体活动^[41]或运动干预^{[10, 42]}与大脑额叶、顶叶、颞叶和扣带回灰质密度大量增加相关。体育运动可通过改变脑岛、小脑和纹状体的活动水平^[43]提高运动相关的注意控制和学习能力^[44]。运动还可提高儿童青少年的中央执行功能。一项研究^[45]对进行30 min短时中等强度有氧运动的10岁儿童的执行功能进行前后测，发现运动后儿童执行功能有积极的改善效应，脑激活模式中双侧额上回、额中回、顶上小叶和左侧顶下小叶激活程度增加，左侧前扣带回激活减弱。同时，大脑认知过程受到奖赏环路和多巴胺信号的影响，这些在处理环境奖励刺激和自主运动中起重要作用^[46]。在完成较复杂的任务时，不仅需唤醒某些特定脑区，同时还需多脑区的连接与配合^[47]。对动物和人类的研究^[48-49]发现，运动锻炼能改善神经控制环路和记忆环路。体育运动在促进感觉运动相关脑区功能连接的同时，提升运动学习相关的认知能力^[40]，这是促进大脑发育、提升学习效益的关键途径（图 1）。

体育运动对大脑健康发育的效益体现在神经活动的不同层面，包含神经细胞、分子水平和大脑结构、功能机制，其在提升运动相关能力的同时，对高级认知能力及功能连接也存在明显效益。长期体育运动习惯对儿童青少年大脑健康发育和认知功能的提升具有重要意义。

2 体育运动提升学习效益的实证研究

由体育运动促进大脑健康发育的神经活动机制和大脑结构功能可知，体育运动促进大脑功能效益的研究已在生理机制上得以证实。在运动心理学研究中，“专家模式”一直受到研究者青睐，通过对比“专家—新手”差异，有助于深入了解某运动项目的特殊认知优势。在体育运动实践中，不同项目对儿童青少年学习效益的提升是否具有专项性，是有效开展体育运动的重要前提。明确运动促进大脑健康发育和认知加工过程是否存在运动项目和大脑功能之间的差异，是开展体教融合须解决的重要问题。

2.1 体育运动提升记忆能力

记忆是人脑对过去学习、经历过事物的编码、保持和提取，是影响学业成绩的关键因素，也是儿童青少年智力发展和高级认知加工的必要条件^[50]。如何提高儿童青少年的记忆力一直是学校和家庭关注的重要问题，然而，记忆是一个复杂的过程：记忆编码的准确性受刺激期间注意力资源分配程度的影响；记忆的保持发生在经验之后，包括大脑细胞层面（如促进神经元之间通信蛋白质的合成）和系统层面（如加强海马和大脑其他新皮层区域之间的联系）的加工过程；记忆的提取则可能同时受编码和保持的影响^[51]。由此可见，记忆能力的保持和提高可能受到诸多因素的影响。上述体育运动影响海马体积及功能的研究结果提示，运动锻炼对记忆能力起到促进作用，但运动锻炼对不同记忆类型和不同阶段的促进作用还需进一步实证研究。

工作记忆是儿童青少年完成学习、阅读、推理、问题解决和智力活动的重要基础^[52]，也是认知活动的关键成分之一。在儿童青少年学习过程中，遗忘和抑制是影响记忆能力的主要因素，先前学习的知识对新知识的前摄抑制干扰作用是导致遗忘的主要原因。为探讨身体活动对工作记忆的促进作用，有研究^{[50, 53]}采用具有生态学效度的生物运动材料和改进版变化觉察任务（change detection task），考察不同身体活动水平对大学生工作记忆的影响，结果显示，高身体活动水平个体对生物运动素材的工作记忆编码阶段反应时更短，准确率更高，alpha频段能量更大，同时额顶区N1成分波幅更大，调用了更多的认知资源。进一步关于身体活动水平对工作记忆前摄抑制影响的研究^[50]发现，高身体活动水平个体依然表现出工作记忆优势，在靶刺激的分辨阶段和前摄抑制的解决阶段投入了更多的认知资源，具体表现在额中央区诱发了更大振幅的N2和P3成分，但在靶刺激分辨和前摄抑制解决的速度方面无明显效益。由此可见，高身体活动水平可提高工作记忆能力，有着更高的大脑唤醒水平，并在一定程度上解决了生物运动工作记忆的前摄抑制作用。

在儿童青少年学习过程中，对知识存储的检验是体现学习效益的重要手段，长时记忆是影响学习效益的又一重要因素。已有研究^[54]证实，急性有氧运动对长时记忆具有促进作用，但急性有氧运动对不同记忆类型和记忆过程的交互作用尚不明确。一项行为研究^[55]考察了中等强度急性有氧运动对陈述性记忆和程序性记忆编码和巩固加工过程的影响，分别采用“有氧运动—学习—第1次自由回忆—有氧运动—休息1 h—第2次自由回忆—休息24 h—第3次自由回忆—再认测试”和“有氧运动—序列学习—有氧运动—休息1 h—第1次序列测试—休息24 h—第2次序列测试”流程，通过控制急性有氧运动干预顺序，对不同类型记忆进行长时记忆测试，结果显示，急性有氧运动对陈述性记忆和程序性记忆均有促进作用，但促进阶段不同：急性有氧运动可提高陈述性记忆编码阶段的加工效率，而对程序性记忆的巩固阶段效益显著。

记忆能力的提高对儿童青少年学习成绩的提高具有重要作用。不管是长期的高身体活动水平还是急性有氧运动均可提高个体记忆能力，但具有不同的针对性。上述研究结果显示，长期身体活动可提高工作记忆表现，减少一定的前摄抑制干扰，表现为大脑唤醒水平更高，调用更多认知资源，然而对加工速度的影响并不明显。那么，长期运动训练干预对工作记忆的提高效益如何，是否可进一步提高信息加工速度还需进一步研究。不同的是，在长时记忆能力方面，急性有氧运动对不同记忆类型（陈述性记忆和程序性记忆）提高的阶段（编码阶段和巩固阶段）不同，在不同程度上改善了长时记忆效果。目前对急性有氧运动促进长时记忆各阶段加工的认知机制尚需进一步探讨。在急性有氧运动可提高长时记忆的实证研究基础上，长期有氧运动干预对长时记忆的其他阶段是否存在促进作用，以及改变运动干预方案可否改善记忆的其他阶段加工，仍需进一步研究证实。

2.2 体育运动提升感知-运动协调能力

感知-运动系统是外界环境刺激和个体动作交互作用的体现，是完成各种动作协同的重要因素，有效地组合来自环境刺激的同步信号，是动态注意能力和信息处理加工过程的基本环节。动作协调能力对儿童青少年的重要性，不仅体现在身体素质上，更表现在其注意和大脑反应能力上。在日常生活中，时常出现感知-动作不协调现象，严重的甚至会引起损伤。有研究^[56-57]指出，身体节奏的时机训练可提高大脑神经效率，促进信息加工过程，进而改善任务绩效。多项研究^[58-59]指出，舞蹈经验可促进个体在感知-运动协调相关任务上的表现。一项对舞蹈运动员感觉运动同步（sensorimotor synchronization）的行为研究^[60]要求舞蹈运动员与普通大学生对不同刺激类型的节奏进行动作同步响应，结果显示，具有舞蹈经验的个体对节奏刺激的同步性更准确，动作更稳定，且可适应不同频段的节奏，动作协同能力更好。由此可知，长期舞蹈训练可有效提高个体对外界刺激的感知能力，促进其动作协同表现。

神经兴奋的节律性波动（神经振荡，neural oscillations）是大脑在感知-运动协调中的关键特征^[61]。大脑神经振荡产生的规律性感知是协调能力的基础^[62]，调节外界刺激与内在神经活动的感知与动作。动作协调过程是内部神经振荡适应外界刺激的过程，需要基本的时序加工和感知-运动的耦合能力^[63]。对外界刺激的感知-运动协调实际上是动态注意能量规律性变化的过程。进一步研究发现，即使是在个体动作适宜节奏下，舞蹈运动员对外界刺激的动作协同能力也明显优于普通人，而这一优势体现在舞蹈运动员神经振荡与外界刺激同步性的增强，即神经振荡与外界节奏形成了共振联结，提高了动作协调能力，同时舞蹈运动员对节奏刺激的探测速度更快。

感知-运动协调是一项涉及时序加工的高级认知功能，体现了对外界刺激注意、感知和自身动作协调同步的过程，是一项重要的认知能力。综上所述，舞蹈训练不仅可促进个体动作协调能力，还可提高神经振荡与外界环境刺激的交互作用，进而提升信息加工效率。儿童青少年动作协调能力的训练（如舞蹈）对其感知-运动协调能力、大脑反应速度及其他认知能力的影响机制，是体育运动领域值得深入探讨的问题。

2.3 体育运动提升其他认知功能

大量的实证研究已指出，运动锻炼与认知功能之间存在正相关关系，“运动提高认知功能”这一观点已得到了诸多研究成果的证实。以执行功能为例，根据认知加工任务的不同，运动锻炼可提高个体执行功能中的抑制、转换和刷新过程^[64]。随着体育科学和脑科学交叉发展，体育运动与认知功能的关系探究已不再局限于有氧运动，揭示不同运动项目对各级认知功能的促进作用是全面了解体育运动提升学习效益的重要途径。与有氧运动相比，其他运动项目在对抗性或规则等方面的特殊性，具有其特殊的认知规律并调用不同的认知功能，因此，了解不同运动项目对各类认知功能的影响，为进一步了解体育运动提升认知功能提供了具体化和专属性依据。

在复杂环境中有效地提取外部信息、排除干扰并进行高效预测是自上而下的高级认知功能在学习过程中的体现，其中对抗类运动项目是研究的重点。动作预测的优势性是高水平足球运动员制胜的重要因素，尤其在射门过程中，当前信息与先验信息的加工处理可直接影响运动员的动作预判和绩效。足球运动员先验信息动作预判研究^[65-66]发现，高水平足球运动员先验信息认知加工的优势不仅体现在专项任务上，在一般信息的处理能力方面也明显优于普通人。同时，足球专家组在信息量较少、干扰信息条件下仍表现出较高的预判正确率，这一行为优势表现在专家组诱发的N1、N2和CNV2成分振幅更大，体现了高水平足球运动员在动作信息较少情况下整合信息的能力更强，对早期注意资源的调节与整合效率更高。

乒乓球运动因具有高速对抗、线索引导明显等特点成为考察动作预期优势的又一主要运动项目。对乒乓球运动员动作预判的研究^[67]，通过分离对手身体线索与球飞行轨迹线索，判断不同对抗信息线索量和线索匹配程度条件下，高经验组、中等经验组和无经验组的准确性和大脑激活特点，结果显示：高经验组乒乓球运动员存在明显的动作预判优势，具备快速且高效的线索提取和加工能力；当信息出现不匹配冲突时，可通过中央区更大的抑制和顶枕区更大的激活进行调节。此外，进一步考察抽象加工层面（概念语义经验）乒乓球运动员动作的高级认知加工过程同样发现：乒乓球运动员对专项动作的加工可同时激活感知运动系统和语义系统，高水平运动员动作和语义信息的传递效率更高；概念语义经验同样对乒乓球运动员的动作加工能力起促进作用，且与运动经验水平成正比^[68]。

在对冲突事件信息的加工中，认知抑制功能起到了关键性作用。抑制功能是中央执行功能的子功能之一，也是儿童青少年高级认知功能发展中的重要部分。在体育运动尤其隔网对抗项目中，反应抑制是优化技战术、取得好成绩的重要认知功能。分别采用信号停止任务和信号变换任务考察高水平羽毛球运动员反应抑制能力的研究^[69]发现：在反应抑制过程中，高水平运动员倾向使用快速动作执行策略，认知资源表现出节省化特征；而在抑制-变换情境中，羽毛球运动员抑制和变换速度更快，会在动作抑制早期投入更多注意资源（N1成分），在后期评价过程调用了较少认知资源。高水平羽毛球运动员在反应抑制加工过程中表现出了高效节省化的认知加工特点。

由此可见，体育运动项目对提升大脑健康效益和认知功能有重要作用，不同运动项目的特点和规则差异在提升多种认知功能上各有倾向。因此，儿童青少年在进行体育运动时，不仅可通过有氧运动促进大脑健康发育和认知功能发展，还可通过培养不同运动项目爱好，在丰富运动技能的同时，提高特定认知加工能力。“运动改善大脑”已得到大量科学研究^[7-10]的证实，但当前在体育教育过程中，如何有效利用和开展运动干预手段提高儿童青少年学习效益，仍是体育科学研究的重要课题。

3 体教融合锻炼效益的剂量关系

体育锻炼的剂量问题（体育活动的类型、频率、强度和时间）一直是研究者关注的重要课题，儿童青少年体育运动与身体活动的联系与区别也是开展校园体育工作的主要难点。2018年国家体育总局发布的《全民健身指南》明确指出，运动锻炼干预应包含运动类型、强度和时间等3个基本要素。倒U型假说（the inverted-U hypothesis）认为，运动强度与任务绩效之间存在倒U型关系，小强度和大强度运动诱发过低或过高唤醒水平均不利于提升任务绩效，只有中等强度的运动可对应最佳唤醒水平^[70]。不同强度急性有氧运动与抑制功能关系的研究^[71]将久坐大学生随机分为大、中、小等3种不同运动强度干预和控制组，发现运动干预组抑制任务正确率显著高于控制组，中等强度急性有氧运动正确率最高（P3振幅最大），说明提高抑制能力的最佳运动方式是中等强度急性有氧运动。在运动锻炼的强度方面，研究者也针对不同群体进行了低、中、高强度的多方尝试，研究^[48-49]指出，中等强度有氧运动对改善大脑认知功能效果最佳。在运动效益的时间进程方面，研究^[72]发现，中等强度有氧运动对大学生反应抑制和反应执行的时程效益可持续到运动结束后的50 min。而由体育运动对儿童青少年认知能力和学业表现的文献综述^[73]可知，无论是短期（20~40 min）还是长期（13周~3 a）体育运动，均表现出效益的提升。在体育运动项目上，乒乓球、跳绳、武术、足球、羽毛球等也是校园体育运动的热门项目。Wang等^[74]在乒乓球训练对注意网络的研究中发现，长期乒乓球训练可优化执行控制网络加工过程，而对注意警觉和注意导向的效益并不显著。

20世纪70年代以来，体育运动研究者就当前大众身体素质和研究结果对运动锻炼时间和频次剂量提出了建议。当前，美国运动医学会（American College of Sports Medicine）建议，成年人每天应参与中等强度运动训练≥30 min、每周≥5 d，或每天应参与高强度运动训练≥20 min、每周≥3 d，或中等和高强度结合的运动训练。此外，还建议每周花2~3 d时间进行每个主要肌肉群的抗阻运动、神经运动锻炼（平衡、敏捷和协调）和主要肌群的柔韧性运动^[8]。儿童青少年体育运动最佳活动强度和时间一直是我国体育领域的重点研究课题。《学校体育工作条例》要求中小学校应保证学生每天有1 h体育活动；《中国儿童青少年身体活动指南》建议，儿童青少年每天应累积至少60 min的中高强度身体活动，每周≥3 d，减少久坐行为。然而，基于当前体育运动促进学习效益的研究成果，儿童青少年体育运动项目选择与运动剂量之间的关系仍需进一步研究。

4 结束语

随着认知神经科学的发展，众多脑科学证据表明，体育运动可提高儿童青少年的脑细胞活性、改善大脑结构，从而提高注意力、改善认知功能、缓解压力等。笔者分别考察了有氧运动和不同体育运动项目在提高记忆能力、感知-运动协调、动作预期和执行功能等高级认知功能方面的显著效果，这为体育运动提升大脑功能效益提供了科学依据；同时，体育运动提升大脑功能效益，需每天累积至少60 min、每次持续20~30 min、每周≥3 d的中高强度身体活动。因此，体育与教育结合是促进儿童青少年大脑健康发育和学习效益的有效手段，体教融合应立足于理论机理，基于运动效益的科学剂量关系，开展体育教育，以更好地促进儿童青少年健康素质的提高。

作者贡献声明:

周成林：提出论文选题，设计论文框架，撰写、审核、指导修改论文；

金鑫虹：调研文献，核实数据，修改论文。