神经教育学视角下解读体育运动学习与教育

何燕燕， 李迎春， 贺道远

(1. 三峡大学 体育学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 武汉体育学院 体育科技学院， 湖北 武汉 430079)

随着现代科学技术发展，越来越多的证据表明体育运动对大脑及神经系统发育至关重要，体育运动能促进人类身心发展、适应环境，体育运动对学生的认知、情绪和行为具有举足轻重的作用。体育运动技能特指通过专门练习而获得的、符合特定法则的动作方式。通常，专门的运动技能需通过体育教育的方式让学生习得，并通过重复练习(运动训练)进而熟练和巩固，涉及学生身体、心理和精神方面的能力。运用脑科学、神经科学研究的技术方法和成果，探索和发展体育教育神经科学，为现代体育教育提供精准、有效、科学的指导方法，让学生通过体育教育和运动学习，获得身心健康，适应现代社会发展需要，已经成为目前体育教育领域的热点问题。

一、基于学生脑与神经发展的体育课程目标导向

学校体育教育改革是国内教育改革的重要内容，体育教育最明显的特征是通过体育运动达到学生身心全面发展。大脑和神经系统支配着骨骼、肌肉的随意运动，在活动身体的同时，又发展、优化大脑和神经系统的功能。

教育部体育卫生与艺术教育司司长王登峰在《新时代体教融合的目标与学校体育的改革方向》一文中指出：“体育应融入国民教育体系，以教育为本，做好体教融合工作。通过体教融合使学校体育面向每个个体，促进每个青少年都能在体育活动中‘享受乐趣、增强体质、健全人格、锤炼意志’。”[1]乐趣、体质、人格、意志这四个要素与人的心理活动联系紧密。心理是客观事物在大脑中的反映，学校体育教育目标应将重点放到学生大脑发育上；课后体育锻炼是不断重复的“作业”内容，学生能够积极主动、并有时间参与体育运动，这种体育教育模式才是学校集体教学形式最好的解读。“师傅领进门，修行在个人”，体育教师的首要任务，除了在体育课堂上集中教授体育运动技能以外，还需发展学生在体育课堂及课后锻炼过程中的心理品质。

从神经教育学角度考察体育课程目标体系，首先是各个年龄段需掌握何种体育知识和技能的问题，这就需要了解大脑发育规律。根据皮亚杰认知发展理论，0-2岁为感知运动阶段，认知的发展主要是感觉和动作的分化，这个阶段孩子需要通过探索感知觉与运动之间的关系获得动作，形成感知运动图示认知。因此教养者要让孩子用眼睛、手、脚等去感知世界，锻炼走、跑、跳等基本生存动作能力。2-7岁为认知前运算阶段，感知运动图示发展成为表象或形象图示，这个阶段的儿童需要接受学龄前教育，幼儿园老师应该让儿童参与体验各种体育运动技能活动，多进行体育游戏和简单的运动项目比赛，比如各种球类竞赛，获得更多的运动技能，掌握外部世界物体的运动发展规律(比如可以对篮球的飞行路线进行视觉预判，同时判断自己的速度与其关系，做出接球或传球的动作反应)，形成更多与外部世界联系的形象图示，为今后大脑学习更复杂的知识做储备。7-11岁为具体运算阶段，儿童已具备抽象概念，能够进行逻辑推理，可与同伴进行合作交流，这个阶段也是情绪发展的重要阶段。此时，教师可以让儿童进行较复杂的运动技能学习，特别是一些集体的球类运动项目，同时通过适宜的教学方法使学生对运动锻炼产生兴趣，能够坚持反复训练，进行意志力、情绪情感的教育。11-16岁为形式运算阶段，儿童认知与思维已脱离对具体、可感知事物的依赖，形成了对符号理解的逻辑思维，即探究式思维，从而深入进行元认知活动，加深元认知策略，此时的体育教育则应该给青少年学生更多的自主选择机会。在一些经济发达的城市和地区，就出现了分层走班制体育课，课外体育锻炼则采用俱乐部的形式，这不仅有利于学生终身体育锻炼习惯的养成，而且对于学生认知的发展具有良好的促进作用。

目前各中小学体育课程同其它科目一样，采用集体授课形式，40或45分钟的授课模式一般包含两个教学内容。在内容的选择上，需安排一个技能项目和一个体能项目为主的练习，且技能项目在体能项目之前，以保证学生运动技能学习的效率。因为课程开始时学生大脑处于适宜的唤醒状态，对技能学习更有利，中、小学生集中注意力大约在15-20分钟之间，可学习技能项目，此后再进行以体能项目为主的学习或训练，相当于采用肌肉活动的形式，恢复之前因学习技能类项目的大脑神经回路处理信息所累积的疲劳。

体育运动能力的生物遗传度较高，因此在集体教学模式中，设定体育教育目标的难点是因材施教，是让学生自由选择，而不是让学生学习一样的运动项目，运用统一的身体素质发展标准进行评价。然而，相较于其它学科学业目标，体育运动目标具有明确、易测量、即时可达性且与努力直接相关等特征。研究表明，那些主动设置目标、并根据目标履行计划的学生有较高的学习动机和学业成绩[2]。设置、监督目标以及自我评价等能力，是刻意训练实践习得的，在这个习得性过程中，前额叶皮层重塑起到了关键作用，前额叶皮层功能得到了发展，继而迁移到其它学科的学习中[3]。

二、运动技能学习与学生学习能力的发展

运动技能学习是一个获得性的改变，从不会或不规范，到熟练掌握一个运动技能。学习与记忆密不可分，学习的发生是通过“长时程增强效应”(LTP)的动态机制来强化神经元之间的联系，当大脑接受新信息时，对应的神经元活跃起来，一个神经元反应会促进其后的神经元反应活动，突触前神经元轴突中的谷氨酸盐输送并穿过突触间隙，与突触后神经元上的受体结合，经“反复”多次刺激，相应神经元之间的突触联结传递效率和强度均增加，导致激发的神经元联结在一起，神经元形状发生改变，信号的发出和传导变得越来越容易，新的信息就成为记忆，“习得了”外界信息。这是已经普遍接受的“赫布假说”，即“使用-依赖可塑性”(use-dependent plasticity)，突触可塑性正是人类学习的生物学基础，LTP(以及长时程抑制，LTD)是其表现形式[4-5]。

以学习单手肩上投篮动作为例，初学者一般在具备双手投篮基础上，再进行单手肩上投篮学习。在学习之前，教师会通过示范和讲解，让学习者进行动作观察和徒手模仿练习。人类观察和模仿能力的先天神经生物学基础是前额叶皮层内的镜像神经元系统[6]，在这个过程中，教师让学习者建立对整个技术动作的认知，使学习者明白各个动作环节的任务、要领、原理或规则，建立初步的运动表象。在这一阶段，教师必须示范准确、讲解简洁；也可利用不同角度或放映速度视频进行教学，让学习者建立更加丰富的运动表象，在视觉、言语、执行功能区域进行动作技术的初步联结，让学习者在自己进行练习的过程中可以用简洁的指导语(出声或不出声)提示自己。动作技能丰富的学习者，还可以对比双手投篮和单手投篮技术动作，更深入理解动作技术要领。

在建立了这种初步的言语-认知任务后，继而需进行重复的刻意练习，即进入动作联结阶段，此时来自身体内部和外部环境的线索信息，会广泛刺激相关的神经元活动，加之以往不规范的动作记忆的干扰，会出现多余、错误的动作，与在言语-认知阶段建立的动作表象不相匹配。通过不断练习和修正，广泛的神经元活动为精确的系列神经元活动所代替，根据动作完成顺序，下肢蹬地伸展，神经元活动募集适宜的肌肉单元，身体内外部信息依次刺激髋、膝、肩、肘、腕、指等关节，完成正确的单手肩上投篮动作技能。通过重复练习，神经纤维外面的髓鞘组织增厚，能够提高信号传送的质量和速度，继而提高神经回路的效率[7]，正确的动作得以巩固，能在较少意识参与状态下进行，完成自动化过程，从而习得了单手肩上投篮。这个阶段的指导，教师需使用各种教学辅助手段，让学习者获得准确的外部反馈，调整错误的姿势和动作，输入正确的动作刺激，使神经元之间的联系趋于稳定，完成动作学习和记忆过程。

神经解剖学研究发现，人类连接小脑和前额叶皮层的神经细胞主干比猴子更粗，这套中枢神经系统对注意、思维、情感和社交都非常重要。当人运动时，这一区域的认知功能也得到锻炼。在学习复杂的运动技能时，前额叶皮层接受输入信息，形成工作记忆，并向大脑庞大的神经连接网络发出指令，监督、抑制刺激和发起行动，以及预测、判断、组织、计划等执行功能。期间，海马从前额叶工作记忆区域接收输入信息后，形成永久记忆，完成动作时会直接提取记忆，而无需前额叶有意识控制，从而达到动作自动化，也就是说诸如单手肩上投篮动作技能程序，被自动存储于基底核、小脑和脑干这些原始区域。因此在动作技能的教授过程中，教师应尽快帮助学生建立自动化动作技能神经联系，掌握动作技能学习规律，从而促进学生体育运动的兴趣和运动技能水平的发展，达到“受之于渔”的教学效果，这也是学校体育的魅力和优势所在。

三、体育运动训练与学生神经发育及认知能力的发展

身体活动的反复练习(体育运动训练)同运动技能学习一样，对脑及神经发育具有重要作用。肌肉感受到运动负荷的刺激，体内会发生许多有利于神经生长发育的生化反应，如释放胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、血管内皮生长因子(VEGF)及成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)等物质，这些激素会穿过血脑屏障，与脑源性神经营养因子(BDNF)共同发挥作用，为学习做好分子准备[8]。在运动时，IGF-1与胰岛素共同合作将葡萄糖输送到工作肌和大脑，给大脑提供能源物质；VEGF开始工作时，身体和大脑会产生更多的毛细血管，改变血脑屏障的渗透性，让有益大脑生长的分子物质进入；而FGF-2则对突触的连接，即记忆的产生LTP过程起到重要作用。这些分子刺激物在运动的连带效应下，对大脑神经元进行“发生、修剪、集约”，使大脑在处理外界信息时更加高效，对熟悉的、已形成回路的知识或经验使用更少的心理资源，更多的心理资源则用于处理新异信息，这是有氧训练促进大脑认知活动的生物学基础。然而，使这一过程真正起作用，还需考虑学生的个性心理和社会文化因素。因为竞技性有氧训练多采用重复性练习手段，非常枯燥，对于青少年学生而言，没有强烈的学习动机难以持续。如何让学生热爱体育运动，并耐受其带来的疲劳，很多教师开发了各种适合学生身心发展规律、多样化、令人愉悦的锻炼方法。激发学生的兴趣和动机，也是体育教师在课外体育锻炼活动中不断进行探索和尝试的任务。

人作为唯一有意向性的生物个体和社会个体，对意向性行为有明确的指向，同时会不断监控自身的行为。有氧训练是在一定强度下进行持续30分钟以上的运动，在此运动过程中，机体的应激反应比较高，身体内环境处于不稳定状态，因此会产生呼吸、循环系统的不适反应，运动员会根据训练目标，循序渐进科学增加强度，获得优异的运动成绩，而很多普通人则会降低运动强度以减少这种不适反应。众多研究表明，在一次运动过程中，以适合的强度进行30分钟以上的有氧训练，尽管没有运动员的高强度水平，但是坚持一周2-3次，持续12周，大脑执行功能水平显著提高，其它身体各组织器官机能水平也得到提高、保持或减低衰退速度。持续锻炼，则可养成无需监控的终身自主锻炼习惯[9-10]。

在中小学体育课程中，技能训练目标、集体授课形式等制约了学生持续锻炼，加上学校和教师对运动促进学生大脑和学业成绩的作用或视而不见，或急功近利，无法保证学生在校期间的体育锻炼时间。在所有运动项目中，跑步是最便利、最易控制效果的运动形式，如果让学生在学校课外活动时，能够自主、持续按照适宜自己的强度跑步，则可促进学生的身心健康。教师可以利用各种方法激发学生跑步的热情，同时根据学生能力进行过程监控，让学生体会通过自己的坚持取得长距离跑步进步的喜悦，并给予反馈和奖励，这种强化手段能激发学生大脑奖赏系统分泌多巴胺等神经递质，从而能够坚持跑步。督促和鼓励学生在早操和课后锻炼时间养成跑步习惯，再进行其它学科学习，血液从工作肌肉回流到大脑，特别是大脑前额叶皮层，有助于学生集中注意力，完成需要抽象思维和复杂分析的学习任务。

体育运动与思维任务对大脑各有益处，两者是相互补充的，除了让体育运动技能成为学习的主体，让学生真正掌握体育学习带来的价值，事实上还可做一个逆向考虑：体育教育作为身体教育，可作为其它学科的辅助手段，引导学生掌握学术概念，通过身体运动参与实践性学习。比如在美国，有学校设置“站立”课桌，在课堂上让学生身体参与学习，使学生大脑的边缘系统及大脑皮层都能够广泛参与巩固和加深记忆的过程，优化大脑功能、提高学习效率。

体育运动训练对大脑另一个好处是可以提高我们生理反应阈值(对内环境稳态的忍受力)，让大脑在心率、血液应激激素升高之前保持良好的机能状态，提高神经元的压力阈值[11-12]。压力对于大脑而言，是一把双刃剑，压力既促进能量代谢，同时也能消耗大脑与个体耐受力、应激源都有关系。每个个体对压力的反应阈值不同，而且反应阈值还会随遗传、环境和行为发生变化，有氧训练可以提高这个反应阈值。

近几年关于青少年抑郁、自杀的新闻屡见报端，学业压力、与父母老师交流压力、社会支持减少的压力等都可能成为压垮孩子的最后一根稻草。教会孩子正确排解压力的方法，提高压力反应阈值，可以通过有氧训练来进行[13]。如何促进学生参与有氧训练，除了单调的跑步运用到自制力强的高年级的学生课堂和课后锻炼上，对于大多数探索欲强烈的青少年学生而言，学校可提供多种多样的体育运动项目，让学生自主或半自主选择参与的运动项目，建立相关的促进机制，提高学生的积极性。集体性的有氧训练也能够提供社交活动，对大脑也是一个良性刺激。

四、体育运动与学生创造力的发展

现代社会科学技术的发展，依赖人的创造力。创造力研究是现代教育学最具吸引力的研究领域之一，始于20世纪50年代美国心理学家吉尔福德，斯滕伯格、科勒斯涅克等也对创造力有专门研究。吉尔福德认为创造力是指个体创新的能力或行为水平。素质教育、人的全面发展等问题也都离不开创造力。儿童创造力发展一直是教育界关注的领域，社会也开发了全脑教育、开发右脑等产品。人们普遍认为艺术教育可以丰富和发展儿童的创造力，对于体育运动，人们则更倾向于接受体育运动侧重于对儿童、青少年身心健康的发展。

体育锻炼能够完善和优化大脑和神经系统的机能，实践中也发现，那些动作速度快的学生，神经系统的反应、转换速度也特别快，因此理论上而言，体育锻炼可以发展和提高创造力。

有研究者通过检索PubMed、Google Scholar和PsychInfo数据库上关于体育锻炼与创造力的实验研究，指出迄今为止还缺乏体育锻炼与创造性思维之间的联系的直接证据，因此在给体育锻炼与创造力之间的关联下定义时需保持谨慎态度[14]。尽管如此，体育锻炼带来的、可测量的生物学效应还是令研究者倍感鼓舞，关于运动促进身心健康的神经科学领域的研究成果丰富，例如运动改善记忆和认知[15]。大脑前额叶皮层功能成像揭示：人们在从事体育运动时，也激活与心理资源分配共享的神经通路[16]。

目前有很多研究旨在揭示为什么运动可能影响创造力的整体结构，以及怎样的运动方式(强度：剧烈运动还是中等或大强度运动；运动项目：技能类、体能类)可以影响创造力等问题[17]。研究表明，剧烈和中等强度的运动锻炼对创造力没有效益或效益很小[18]，高强度的运动似乎会对创造力产生不利影响。有趣的是也有研究表明：对于那些已经习惯了锻炼的人而言，休息或被迫不运动，其完成创造性工作的表现也不好，这种不利可能是因为被迫不运动而诱导的负面情绪或动机产生的协同作用，降低了实验者的创造性表现。这些研究推论创造性测试容易受锻炼的影响而导致完成任务所需的精神资源枯竭，或注意力、动机或情感反应减少[19]。锻炼可增强创造力，而不依赖于情绪状态的变化[19]。虽然研究结果不一致，但从体育教育实践过程来看，青少年学生正处于生长发育高峰期，天性具有好动、爱探索的特质，学校体育应该尽量为学生提供更丰富的运动环境，鼓励学生走出教室，对于其认知发展、创造力的培养具有良好的促进作用。笔者认为：只要不给学生带来负面情绪，内容能够引起学生兴趣、激发主动参与的热情，体育运动对于学生创造力的培养是有利的。

神经教育领域对于体育运动中的学习与教育现象的解析还有很多待解决的问题，随着脑科学的发展，对于人类大脑发育和工作方式的解答，会给体育教育实践带来更精确的指导和设计，解决目前因条件限制而被迫采取的增加体育中考分值政策来促进学校体育工作的现状，还原体育原有的游戏本质，让学生主动参与体育学习和锻炼。