В образовательном пространстве школы современные учащиеся, находясь в условиях интенсификации учебной деятельности, постоянно сталкиваются с возрастающими информационными нагрузками, в том числе с применением сверхнормативных обучающих технологий в системе дополнительного образования. В связи с этим требуется усиленный контроль состояния адаптации и здоровья детей в процессе школьного обучения [1–5]. В качестве интегрального индикатора адаптации в современной психофизиологии широко используются показатели вегетативного баланса при различных видах деятельности, в том числе в учебном процессе.

Установлено, что под влиянием психофизических нагрузок, оптимальное соотношение симпатического и парасимпатического звеньев регуляции может нарушаться в пользу преобладания симпатикотонии, что свидетельствует о дисбалансе реципрокных регуляторных влияний вегетативной нервной системы (ВНС) на кардиальную систему ребенка. В таких условиях наблюдается выраженное напряжение компенсаторных механизмов сердечно-сосудистой системы (ССС) детского организма, связанное с особенностями его адаптации к физическим и умственным нагрузкам [3, 6, 8, 9]. При умственном и физическом переутомлении, эмоциональном стрессе повышаются психоэмоциональное напряжение и уязвимость организма ребенка, что приводит к нарастанию процессов психофизической и социальной дезадаптации [2, 4, 7, 8].

Преобладание (доминирование) функциональной активности одного из отделов ВНС свойственно значительному числу детей, особенно в условиях чрезмерных средовых нагрузок, превышающих адаптационные возможности ребенка [4, 5, 9, 10]. Изменение регуляторных влияний высшей нервной деятельности и высших психических функций (ВПФ), зависящих от состояния центральной нервной системы (ЦНС), головного мозга и его коры, приводит к изменению скорости условно- рефлекторных реакций, нарушению взаимодействия между первой и второй сигнальными системами, психосоматическим и поведенческим отклонениям и др. Детей с такими отклонениями относят к группе условно здоровых, но имеющих значительное напряжение процессов адаптации (преморбидное, донозологическое состояние), которое может приводить к срыву, в первую очередь, регуляторных звеньев физиологических процессов организма ребенка, снижению умственной и физической работоспособности детей, отставанию в учебной деятельности [1, 4, 6, 9, 11–14].

В процессе онтогенеза ребенка происходят динамические перестройки взаимодействия между функциональными системами организма, скорость которых растет в связи с явлениями акселерации. При этом в детском организме формируются механизмы адаптации к физическим и умственным нагрузкам, важную роль в их становлении играет перестройка вегетативной регуляции функций организма [4, 8].
Понимание возрастных особенностей адаптациогенеза детей по интегративным психофизиологическим характеристикам, изменяющимся под влиянием учебной деятельности, позволит создать для школьников оптимальную образовательную среду и систему занятий, психолого-педагогическое сопровождение учебного процесса. Такие меры диктуются основным противоречием современного образования: при ускоренном возрастании умственных нагрузок у школьников прогрессирует дефицит двигательной активности, вызванный изменением образа жизни современных детей в условиях урбанизированной среды [4, 7, 15–17]. Однако многие интегративные механизмы онтогенеза и возрастной адаптации под влиянием учебных и средовых нагрузок у современных школьников остаются недостаточно исследованными.

Целью работы было изучение влияния факторов образовательной среды (ментального счета, двигательных упражнений и переключения внимания) на особенности развития физиологических функций и когнитивных процессов школьников в наиболее сенситивные возрастные периоды 7–9 и 10–12 лет в условиях высоких учебных нагрузок. В задачи входило: оценить психофизическое развитие и его изменения у младших школьников под влиянием физических упражнений с включением заданий на переключение внимания (счет, арифметические действия); выявить различия познавательной активности и физиологических функций в зависимости от фактора пола у детей 7–12 лет; изучить влияние физических упражнений на когнитивные процессы учащихся в процессе занятий ментальной арифметикой с учетом физиологических особенностей младших школьников.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Характеристика обследованных школьников

В исследовании приняли участие 124 школьника, обучавшихся в Центре интеллектуального развития «Эврика» г. Тольятти в период с октября 2017 по май 2018 г. Из которых 30 мальчиков и 32 девочки были в возрасте 7–9 лет; 30 мальчиков и 32 девочки в возрасте 10–12 лет. Каждую половозрастную категорию разделили на: основную группу (ОГ) и группу сравнения (ГС). Критерием деления на ОГ и ГС было относительное равенство исходных психофизиологических и когнитивных показателей.

Этическая экспертиза

Исследование одобрено локальным этическим комитетом Тольяттинского государственного университета (протокол № 1 от 29.08.17). Получено информированное согласие от родителей на участие школьников в эксперименте.
Критерии включения в эксперимент: возраст детей 7–12 лет; отсутствие медицинских противопоказаний к учебной деятельности и физической нагрузке. Критерии исключения: острые инфекционные заболевания и иные медицинские противопоказания к учебным занятиям и физическим упражнениям. Возрастной период 7–9 лет характеризуется интенсивным развитием мозговых структур, обеспечивающих познавательную деятельность [13, 14, 18, 19]. Период 10–12 лет характеризуется дальнейшим развитием основных структур мозга, ответственных за когнитивные процессы, и завершением формирования индивидуального профиля латеральной специализации функций полушарий мозга [11, 20].

Программа ментального счета

Обучение ментальному счету осуществляли в обеих группах в течение 6 месяцев по 2 раза в неделю, продолжительность каждого занятия составляла 45 мин. Дети осваивали ментальный счет с помощью специальных арифметических счетов — абакуса и проводили вычисления в уме. В соответствии с индивидуальными особенностями и текущим психофизическим состоянием все участники эксперимента по-разному переносили умственные нагрузки. Для оптимизации психофизических показателей в ОГ были включены двигательные упражнения (ДУ) с переключением внимания (ПВ) в отличие от занятий в ГС.

Программа двигательных упражнений с переключением внимания

В процессе обучения ментальному счету физкультурно-оздоровительные упражнения с переключением внимания вводили в начале, в середине и в конце занятия. Дети выполняли следующие ДУ с ПВ: 1) игры с мячом; 2) счет с мячом; 3) прыжки со счетом; 4) стояние на балансировочной доске в комбинации со счетом и ответами на вопросы. Во время выполнения ДУ с ПВ ребенок лучше концентрируется, у него активизируется максимальное количество мышц, формирующих осанку, укрепляющих сухожилия и связки ног, ловкость и координацию движений, развитие восприятия и сенсомоторной координации. Занятия ментальной арифметикой и ДУ с ПВ (счетом, арифметическими действиями), стимулируют психомоторную активность и направленны на увеличение ментальной активности, общего объема и разнообразия движений, развитие ловкости, гибкости, быстроты, координационных способностей.

Метод педагогического эксперимента

Определение показателей познавательной активности осуществляли в процессе проведения трех этапов педагогического эксперимента:
1) констатирующий этап (октябрь 2017 г.): определяли исходные показатели функционального состояния ССС, адаптации детей и уровень развития познавательных процессов;
2) формирующий этап (декабрь 2017 г. — апрель 2018 г.): когнитивные задания и средства физической культуры использовали для развития моторики и психических процессов;
3) контрольный этап (май 2018 г.): определяли итоговые показатели после воздействия на детей формирующих упражнений, стимулирующих умственную и физическую активность.

Психодиагностические методы

В психодиагностическую программу вошли следующие психологические методики:
1) диагностика кратковременной памяти (запоминание 10 слов);
2) диагностика ассоциативной памяти (10 парных ассоциаций);
3) диагностика образной памяти (16 образов);
4) корректурная проба Бурдона;
5) поиск аналогий и логических решений;
6) определение моторной одаренности у детей и подростков 7–12 лет по метрической шкале [21–23].
ДУ с ПВ включали в занятия только в ОГ.

Метод диагностики функциональных показателей организма

Для определения функционального состояния ССС детей использовали программно-аппаратный комплекс (АПК) «Варикард 2.51» (Институт внедрения новых медицинских технологий «Рамена»; Россия). Методом анализа вариабельности сердечного ритма исследовали все основные показатели в том числе:
– вегетативную регуляцию кровообращения c оценкой степени напряжения регуляторных систем организма;
– вегетативную регуляцию ритма сердца (исходный уровень вегетативной регуляции, вегетативную реактивность, вегетативное обеспечение деятельности);
– функциональное состояние организма и его изменений на основе определения параметра вегетативного баланса и нейрогуморальной регуляции.
На основе оценки текущего функционального состояния организма, выраженности его адаптационных ответов и состояния регуляторных систем разработаны прогностические заключения и рекомендации, которые использовались в данном исследовании и были предложены в учебном процессе [24].

Методы математической статистики

Обработку результатов исследования проводили с использованием методов математической статистики: одновыборочного критерия оценки нормальности распределения Колмогорова–Смирнова и параметрического t-критерия Стьюдента. Статистическую значимость наличия различий определяли на уровне p < 0,05.
Применение одновыборочного критерия Колмогорова–Смирнова к полученным данным выявило распределение исследуемых переменных в границах нормальности, что позволило в дальнейшем использовать параметрический t-критерий Стьюдента для связных и несвязных выборок.
Результаты экспериментального исследования обрабатывали с помощью программы SPSS 17.0 for Windows.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рассматривая функциональные показатели развития детей на констатирующем этапе, мы наблюдали близкие по величине показатели функционального состояния регуляторных систем в ОГ и ГС. Известно, что даже небольшие изменения вегетативного баланса значительно влияют на состояние здоровья обучающихся детей, это приводит к снижению стрессоустойчивости и адаптации к действующим в процессе учебной деятельности физическим и умственным нагрузкам.
У детей младшего школьного возраста наблюдается колебательный характер межсистемных и внутрисистемных взаимоотношений между психоэмоциональными, вегетативными и гормонально-метаболическими механизмами. Это приводит к нестабильности и снижению функциональных и приспособительных возможностей организма в результате постоянного функционального напряжения регуляторных систем под влиянием учебных нагрузок [4, 6, 8].

Для исследования вегетативного баланса было проведено определение функционального состояния ССС методом вариабельности сердечного ритма.
В начале исследования отмечалось увеличение стресс- индекса Si (отражает степень преобладания активности центральных механизмов регуляции над автономными). В ОГ этот показатель составлял 298 усл. ед., в ГС — 486 усл. ед., что свидетельствовало о высокой активности регуляторных систем и пониженных функциональных резервах организма. Эти результаты в ОГ и ГС указывали на то, что вследствие возрастания учебных нагрузок происходит умственное и физическое утомление детей, которое приводит к нарушению баланса симпатического и парасимпатического отделов нервной системы. Так как морфофункциональные структуры ЦНС еще не достигли своей зрелости в исследуемых группах детей 7–12 лет, сила и уравновешенность нервных процессов относительно невелики, что может приводить к быстрой истощаемости клеток коры головного мозга, утомлению и снижению умственной работоспособности. При наступлении умственного и физического утомления необходимо своевременное переключение детей на другой вид деятельности.
В связи с этим в занятия по обучению ментальному счету ввели физкультурно-оздоровительные упражнения с переключением внимания в начале, середине и конце занятия.

Также на констатирующем и контрольном этапах педагогического эксперимента были исследованы показатели продуктивности запоминания, концентрации и переключаемости внимания, функций мышления и моторной одаренности у мальчиков и девочек 7–9 и 10–12 лет. Проведено сравнение результатов в возрастных группах (табл. 1–табл. 4):
• 7–9 лет: ОГ (15 мальчиков, 16 девочек) и ГС (15 мальчиков, 16 девочек);
• 10–12 лет: ОГ (15 мальчиков, 16 девочек) и ГС (15 мальчиков, 16 девочек).

Результаты диагностики памяти, внимания и мышления на констатирующем этапе исследования показали, что показатели кратковременной, ассоциативной и образной памяти, концентрации и переключаемости внимания у девочек 7–9 лет имеют большие значения (на 20–40%) чем у мальчиков этой же возрастной группы (табл. 1, табл. 2). Эти зависящие от фактора пола особенности связаны с опережающим онтогенетическим развитием девочек по сравнению с мальчиками [18, 19]. У девочек на 0,5–1 год раньше наступает первый ростовой скачок и развитие психологических показателей, синхронизированное с морфофункциональным формированием организма, происходит опережающими темпами.
В возрасте 10–12 лет продуктивность запоминания, концентрация и переключаемость внимания, а также эффективность решения логических задач у мальчиков возрастает (на 10–30%) по сравнению с девочками (табл. 3, табл. 4) за счет зависящих от фактора пола особенностей профилей латеральной организации полушарий головного мозга [17, 18, 20]. У мальчиков завершается формирование профилей латеральной организации с преобладанием активности левого полушария, в то время как у девочек отмечается эквипотенциальный вариант активности полушарий.
Это детерминированное половозрастными факторами повышение психологических показателей умственной деятельности свидетельствует о возрастании морфофункциональной готовности мозга и психических процессов в решении пространственно-временных задач [5, 20].

Результаты исследований двух возрастных групп детей показали также, что двигательные возможности девочек превышают таковые у мальчиков в связи с опережающим на этом этапе онтогенеза развитием различных звеньев двигательного анализатора, включая его высшие корковые отделы.
Рассматривая функциональные показатели развития детей на констатирующем этапе, мы наблюдали близкие по величине показатели функционального состояния регуляторных систем в ОГ и ГС. Известно, что даже небольшие изменения вегетативного баланса значительно влияют на состояние здоровья обучающихся детей, что снижает стрессоустойчивость, адаптацию к действующим физическим и умственным нагрузкам в учебном процессе [2, 6, 9, 10]. Для исследования этих особенностей было проведено определение функционального состояния ССС методом измерения вариабельности сердечного ритма (табл. 5–табл. 7).
После завершения ФЭ педагогического эксперимента повторно было проведено исследование регуляторных систем организма, результаты которого свидетельствуют о том, что в ОГ детей при использовании физкультурно-оздоровительных занятий и правильной организации режима дня происходит улучшение функционального состояния организма.
В табл. 5 представлены данные измерений показателей сердечного ритма в ОГ и ГС на завершающем контрольном этапе педагогического эксперимента.
Данные табл. 5 свидетельствуют о стабилизации функциональных процессов, значения Si (индекса напряжения регуляторных систем) и частоты сердечных сокращений у школьников ОГ близки к физиологической норме. Системы регуляции работают в нормальном режиме, организм оптимально выходит из стрессовых ситуаций, системы организма стабильны, что свидетельствует о правильном соотношении умственных и физических нагрузок и организации физкультурно-оздоровительного режима занятий.

В ГС в конце исследования наблюдается высокий Si, тахикардия, высокая активность регуляторных систем и сниженные функциональные резервы организма (табл. 5). Это состояние сопровождается перенапряжением регуляторных механизмов. Длительное перенапряжение в результате учебного стресса может привести к срыву физиологической адаптации и развитию патогенной цепи: дезадаптация — предболезнь — развитие заболеваний — хронизация патологий. В связи с этим необходима правильная организация режима дня, рациональный подбор умственных и физических нагрузок и своевременное применение двигательной активности, что подтверждается данными табл. 6, табл. 7 и рис. 1, рис. 2.
После завершения ФЭ педагогического эксперимента было проведено повторное исследование регуляторных систем организма. Его результаты свидетельствуют о том, что в ОГ включение в структуру занятий ментальной арифметикой физкультурно-оздоровительных упражнений привело к росту двигательных нагрузок и оптимизации двигательного режима школьников. Поэтому в ОГ (рис. 1; табл. 6,) в отличие от ГС (рис. 2; табл. 2,) наблюдается положительная динамика функционального состояния детей, о чем свидетельствует улучшение соответствующих показателей. Важно отметить снижение в 1,8 раза Si в ОГ под влиянием ДУ с ПВ. Эти результаты подтверждаются данными, представленными на рис. 3, рис. 4.
Получены различия функционального класса школьников в ОГ и ГС в конце исследования. Локализация детей в ОГ относится ко второму функциональному классу, что свидетельствует о физиологической норме систем, обеспечивающих жизнедеятельность растущего организма. Это подтверждает необходимость смены видов деятельности при занятиях ментальной арифметикой с использованием дополняющих их ДУ с ПВ. Смена когнитивных и физических видов деятельности способствует:
1) активации ЦНС; 
2) предупреждению монотонии;
3) переключению внимания и снижению утомляющего воздействие учебной нагрузки (рис. 3).

Локализация школьников ГС относится к шестому функциональному классу, что свидетельствует о перенапряжении систем регуляции организма детей (рис. 4). В этом случае важно обратить внимание на смену деятельности во время учебных занятий. Это будет способствовать профилактике переутомления и истощения адаптационных резервов организма и тем самым сохранению здоровья школьников в условиях роста учебных нагрузок.
Таким образом, проведенные исследования показали эффективность применения комплекса методов ментальной арифметики с ДУ, включающими ПВ, для повышения умственной продуктивности и психомоторных возможностей младших школьников.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Изучением физиологической адаптации детского организма к учебной деятельности занимаются многие исследователи, такие как Н. И. Шлык, Р. М. Баевский, Е. Д. Синяк, Д. Л. Сонькин и др. Особенность их работ заключается в обосновании технологии подбора адекватных двигательных нагрузок, как в тренировочном процессе, так и при занятии физической культурой с учетом физических возможностей обучающихся. В данном исследовании мы также учитывали психофизические показатели, позволяющие отнести учащихся к определенному функциональному классу. Но при работе с детьми важно использовать их высокий игровой потенциал [25], поэтому на занятиях ментальной арифметикой мы применяли ДУ с ПВ, что позволяло проводить занятия в более увлекательной форме.

В проведенном исследовании за счет включения ДУ с ПВ в занятия ментальной арифметикой произошла положительная динамика ВПФ младших школьников: возрастали показатели различных видов произвольной памяти (кратковременной, ассоциативной, образной), произвольного внимания, функций мышления и моторной одаренности. Можно предположить, что активизация ВПФ достигается благодаря профилактике монотонии, оптимизации баланса процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга.
Результаты диагностики памяти, внимания и моторной одаренности показывают их улучшение в 1,5–2 раза после включения в занятия ментальной арифметикой двигательного компонента. Рост функциональных показателей под влиянием занятий ДУ с ПВ свидетельствует об их эффективности для психомоторного развития младших школьников. Сравнение результатов констатирующего и контрольного этапов педагогического эксперимента выявило статистически значимые различия (при p ≤ 0,05) в основной группе школьников по всем рассмотренным параметрам. 

Комплексное применение когнитивных и физических упражнений привело к профилактике утомления и оказало восстановительное и нормализующее воздействие на регуляторные системы организма. Полученные результаты свидетельствуют о том, что у школьников ОГ при использовании физкультурно-оздоровительных занятий и правильной организации режима активности и отдыха происходит улучшение функционального состояния организма. Ряд авторов отмечают, что профилактика переутомления в детском возрасте очень важна и позволяет в перспективе улучшить состояние здоровья и учебную успеваемость детей, поддерживать оптимальный уровень функционирования у них ЦНС и ВНС, обеспечивающий адекватную деятельность систем и организма в целом при действии учебных нагрузок [2–4, 8]. При нормализации функционального состояния исследователи отмечают снижение у младших школьников рисков школьной дезадаптации.

При исследовании причин неоднородности и неустойчивости нейрогуморальной регуляции сердечного ритма у детей вследствие конституционно-генетического дисбаланса созревания ВНС в онтогенезе установлено, что механизмы приспособительных реакций наилучшим образом стабилизируются при соответствующей организации двигательной активности, соблюдении режима дня, питания, сна, контроля психоэмоциональной активности [1, 8, 10].
Повышая умственную и физическую работоспособность ребенка, необходимо учитывать общее состояние его здоровья. Известно, что статичные занятия быстрее утомляют детей, чем динамичные. В связи с этим занятия по ментальному счету должны быть непродолжительными, их необходимо дополнять двигательной и игровой активностью с ПВ, включая игры с мячом, прыжки, упражнения на балансировочной доске, счет с мячом и прыжки через скакалку. Проведенные исследования показали эффективность использования таких упражнений для повышения умственной продуктивности и психомоторных возможностей младших школьников.

ВЫВОДЫ

Сравнение показателей ВПФ в начале исследования выявило их зависимость от фактора пола в возрасте 7–9 лет. У девочек показатели активности когнитивных процессов и моторной одаренности на 20–40% превышали таковые показатели у мальчиков в связи с их опережающим онтогенетическим развитием. У мальчиков 10–12 лет показатели высших психических функций и моторной одаренности имеют выраженный рост на 10–30% по сравнению с девочками за счет, связанной с полом, активизацией левой гемисферы. В ОГ под влиянием занятий ментальной арифметикой с включением ДУ с ПВ выявлено статистически значимое повышение показателей когнитивных процессов, внимания, моторной одаренности, адаптации и стрессоустойчивости, а также оптимизация функций регуляторных систем организма. В ГС ментальные занятия без сопровождения физическими нагрузками не привели к выраженной положительной динамике когнитивных процессов и функциональных систем организма. Результаты исследования позволяют рекомендовать включение ДУ с ПВ в программу обучения ментальному счету.