Совершенствование учебного процесса по курсу "биомеханика" на основе применения компьютерных технологий

Совершенствование учебного процесса по курсу "биомеханика" на основе применения компьютерных мультимедиа информационных технологий 

О.Б. Дмитриев, Э.Р. Ахмедзянов, Е.А. Калинина, Удмуртский государственный университет, Ижевск

Основными направлениями развития учебной дисциплины "Биомеханика" являются: 1) выполнение учебно-исследовательских работ студентов (УИРС), ориентированных на биомеханический анализ двигательных действий, основанный на идее биомеханизмов, и связи форм их проявления с особенностями строения и функций двигательного аппарата человека; 2) выполнение УИРС, построенных на идее системно-структурного подхода биомеханического обоснования строения действий; 3) усиление гуманитарной направленности данного учебного предмета, поскольку система движения в действии рассматривается как решение двигательной задачи исполнителя действия [3, 8].

Вместе с тем интенсификация учебного процесса, повышение его эффективности и качества для любой дисциплины обеспечиваются использованием средств новых информационных технологий (СНИТ) [7]. Таким образом, мы считаем, что еще одним эффективным направлением развития биомеханики является применение компьютерных информационных технологий в учебном процессе по данному курсу, а также при выполнении УИРС.

Для успешной реализации данного направления необходима дидактическая, методическая, алгоритмическая и программная разработка всех этапов компьютерного биомеханического исследования двигательных действий. В работе [2] описана алгоритмическая структура созданного нами методико-программного комплекса "Мультимедиа биомеханика" (МБ) и рассмотрено решение тестовой задачи, а в настоящей статье представлена последняя версия комплекса "МБ" с раскрытием его дидактической и методической сущности. В базу данных (рис.1) заложены первые исследования технических действий ("Ой-Дзуки", "Гяку-Дзуки", "Мае-Гэри", "Уширо-Гэри" и т.д.) из вида единоборства каратэ-до, выполненные каратэками (людьми, практикующими каратэ), имеющими различную квалификацию и антропометрические характеристики. В рамках статьи ограничимся проведением биомеханического исследования техники "Ой-Дзуки" (первые четыре варианта из базы данных (cм. рис. 1), рассмотрением их сравнительного анализа, а также обоснованием использования комплекса как эффективного обучающего и контролирующего этапов психолого-педагогического процесса в курсе биомеханики.

Основным инструментом биомеханического исследования в методико-программном комплексе "МБ" (МПК "МБ") является метод видеоциклографии. Главное допущение метода видеоциклографии - это замена объемного трехмерного пространственного движения на плоскопарал лельное (т.е. происходит проецирование движения на вертикальную плоскость видеокамеры). Возникает вопрос: насколько полезны для практического использования данные, полученные при таких допущениях? Ответ на него дал В.Б. Коренберг в своей книге "Основы качественного биомеханического анализа": "… наиболее приемлемым и результативным в педагогическом плане является "основной качественный биомеханический анализ" с приближенным количественным уточнением результатов (с упрощенной обработкой и использованием метода циклографии, с учетом лишь наиболее весомых в интересующем аспекте факторов)" [5].

Исходным материалом для биомеханического исследования двигательных действий в комплексе "МБ" является видеозапись этого движения, которая с помощью платы видеоввода представляется в цифровом виде. Условия съемки, качество видеозаписи и процедуры оцифровки напрямую влияют на результаты структурного анализа спортсмена как биомеханической системы.



Рис. 1. База данных

1. Структурный анализ биомеханической системы "спортсмен" с помощью МПК "МБ". Данная процедура выполняется в полуавтоматическом режиме, т.е. на экране монитора вручную производится выделение суставов и других характерных точек на всех кадрах видеофрагментов технических действий в той последовательности, которая указана на панели управления (рис. 2).

Для проведения исследования используется стержневая модель, описанная в [4]. Особеннос тью данной модели является то, что туловище спортсмена представляется в виде жесткой рамки. При выполнении техники каратэ-до позвоночный столб должен сохранять строго вертикальное положение, при этом его относительные подвижности исключаются. В этом случае моделирование туловища в виде рамки хорошо согласуется с реальностью [6].

Выделение звеньев спортсмена (на панели управления кнопка "КАРКАС"), определение их параметров (длина, вес звена, положение центра тяжести) и вычисление общего центра тяжести (о.ц.т.) системы выполняются в автоматическом режиме.

2. Кинематический анализ биомеханической системы "спортсмен" с помощью МПК "МБ". Данная процедура на основе промера (видеоциклог раммы) двигательного действия позволяет определить траектории движения, скорости и ускорения некоторых особых характерных для данной биомеханической системы точек (рис. 3).

Построение видеоциклограммы (ВЦГ) двигательного действия производится в режиме "НАЛОЖЕНИЕ". С помощью выделения тех или иных кадров видеофрагмента можно формировать различные варианты отображения видеоциклограммы: разреженная (см. рис. 3) или полная (рис.4)). На рис. 4 показаны четыре ВЦГ, соответствующие техническим действиям на рис. 2.



Рис. 2. Выполнение техники "Ой-Дзуки" четырьмя разными спортсменами



Рис. 3. Траектории движения суставов и векторы скоростей на разреженной видеоциклог рамме



Рис. 4. Полные видеоциклограммы техники "Ой-Дзуки"

Плоскопараллельное движение биомеханической системы можно представить в виде совокупности поступательного движения центров масс звеньев системы и вращательного движения этих звеньев вокруг их центров масс. При этом линейные Vi и угловые wci (i = 1, 2,…,n; n - число звеньев в системе) скорости будут определяться по формулам:

(1), (2),

где - радиус-векторы центров тяжести i-х звеньев;

- векторы и модули относительных линейных скоростей дистальных концов i-х звеньев системы, определяющих вращение (данная скорость находится через мгновенный центр вращения);

- расстояние от дистального конца i-го звена до его центра тяжести .

Процедура вычисления скоростей в виде разностной схемы, наложенной на видеоциклограм му, имеет вид:

, (3)

где j = 1, 2,…, к - индекс, определяющий номер кадра в видеоциклограмме; к - число кадров в видеофрагменте технического действия.

Ускорения i-х точек биомеханической системы определяются как первые производные от скорости и также вычисляются по разностной схеме. Масштабирование, пересчет и соответствие размеров спортсмена, его перемещений, скоростей и ускорений на экране монитора с реальными производится в автоматическом режиме с учетом "эталона длины".

При выполнении двигательных действий спортсмен формирует некоторое векторное поле скоростей и ускорений. О направленности данных векторных полей можно судить по направлениям векторов скоростей и ускорений особых, характерных точек биомеханической системы (i = 1, 2,…, n). На рис. 3 показаны один из вариантов векторного поля скоростей системы "спортсмен № 1" и его изменение с течением времени.

3. Динамический анализ биомеханической системы "спортсмен" с помощью МПК "МБ". Техника в каратэ-до определяется следующими характеристиками: скоростью о.ц.т. системы и скоростями рабочего звена (кулака, стопы и т.д.); силой удара (ударным импульсом силы); кинетичес кой энергией (энергоемкостью) технического действия.

На рис. 5 представлены графики кинетических энергий выполнения техники "Ой-Дзуки" четырьмя рассматриваемыми спортсменами. Кинетическая энергия системы вычисляется при нажатии на панели управления позиции "Энергия" и выделении звеньев расчетной модели. При нажатии позиции "Количество движения" - вычисляется количество движения системы:

(4)

и на рис. 6 представляется в виде графиков , где k - количество кадров в видеофрагменте. На графиках кинетических энергий и количеств движения выделены участки, соответствующие моменту удара (интервалу контакта кулака и мишени).

4. Рассмотрение ударных взаимодействий с помощью МПК "МБ". В качестве меры взаимодей ствия соударяющихся тел в теории удара рассматривают не сами ударные силы, а их импульсы [4]. Импульс силы вычисляется по теореме об изменении количества движения в интегральной форме [1]. Удар рукой состоит из трех основных фаз: фазы предварительного разгона (характеризуется переносной скоростью о.ц.т.); фазы ударного движения (определяется разгоном ударной руки до максимальной скорости) и затем ударного взаимодей ствия с мишенью (характеризуется временем удара и ударным импульсом). Анализ промера техники "Ой-Дзуки" показал, что длительность контакта руки (кулака) с мишенью составляет два-четыре кадра, т.е. 0,08-0,15 с.



Рис. 5. Графики кинетических энергий при выполнении техники "Ой-Дзуки"

Если на систему действуют ударная сила и некоторая медленнее изменяющаяся во времени сила (например, сила инерции туловища или силы отталкивания опорной ногой), то их общий импульс за время удара будет равен:

(5).

При первое слагаемое - это ударный импульс, по определению удара он остается постоянным, а второе слагаемое стремится к нулю. На этом основании при исследовании процессов, происходящих при ударе, медленно меняющиеся, ограниченные по модулю силы не учитываются [1].

Однако в реальной спортивной технике при резком торможении биомеханической системы силы инерции и силы отталкивания резко меняются от максимума к нулю и становятся соизмеримыми с ударным импульсом руки или ноги, поэтому они могут существенно изменять общий ударный (приведенный к кулаку) импульс системы. Отсюда мы считаем, что необходимо стремиться к тому, чтобы на графике кинетической энергии системы (см. рис. 5) максимальный пик смещался как можно дальше вправо к ударному импульсу руки, а траектория снижения графика количества движения (фаза торможения системы) была бы как можно круче.

5. Хронограмма технического действия "Ой-Дзуки". На основе промеров рассматриваемой техники (см. рис. 4) и графиков траекторий движения характерных точек (суставов и центров тяжести) системы и их скоростей (см. рис. 3) построена обобщенная хронограмма данного двигательного действия. Основу техники "Ой-Дзуки" составляет ацикличное локомоторное движение туловища, на которое накладываются дополнительные двигательные вариации: опускание о.ц.т. туловища; вращение (ротация) туловища; встречное ударное движение рук; ударное взаимодействие с мишенью; стабилизация волновых процессов после удара. Каждые двигательные вариации имеют стандартные фазы: разгон, движение с максимальной скоростью, торможение, амортизация.

6. Сравнительный анализ выполнения техники "Ой-Дзуки" разными спортсменами с помощью МПК "МБ":

1) спортсмены № 1, 3 и 4 в технике "Ой-Дзуки" дополнительно используют скручивание и ротацию туловища, а спортсмены № 3 и 4 еще и опускание о.ц.т. Спортсмен № 3 для создания динамической реакции отталкивания включает в структуру движения фазу предварительного подседания. Спортсмен № 2 в момент удара (контакта) поднимает плечо ударной руки и сильно поворачивает плечевой пояс вперед, что является ошибкой;

2) графики кинетических энергий на рис. 5 (характеризуют способность биомеханических систем совершать работу) имеют похожую внешнюю форму (явно выраженный максимальный всплеск в середине техники, затем начало торможения, переход кинетической энергии движения в потенциальную энергию тела и снова всплеск при относительном ударном движении руки), но отличаются максимальными значениями и площадью под кривой. Спортсмен № 3 имеет максимальную площадь под кривой и наибольшее максимальное значение энергии (Е3,max = 160 дж; Е1,max = 130 дж; Е2, max = 120 дж; Е4, max = 130 дж). Если накопленная потенциальная энергия тела сразу не реализуется, то она быстро рассеивается;

3) сравнение графиков скоростей о.ц.м. спортсменов (рис. 7) показало, что спортсмен № 3 имеет наибольшую скорость при разгоне и при торможении. За счет этого происходит более быстрое преодоление расстояния до мишени, что очень важно в атаке. Спортсмен № 3 использует более длинную стойку и находится от мишени дальше, чем другие спортсмены, поэтому время выполнения техники "Ой-Дзуки" у него примерно такое же, как у остальных;



Рис. 6. Графики количества движения



Рис. 7. Сравнение графиков скоростей о.ц.м. спортсменов № 2 и № 3



Рис. 8. Графики скоростей ОЦТ, плечевого сустава и кулака спортсмена №1

4) на графиках количества движения систем (см. рис. 6) выделены участки, соответствующие ударному взаимодействию. По теореме импульсов для биомеханической системы [1, 4] площади выделенных участков равны ударному импульсу. Из хронограммы строения двигательного действия "Ой-Дзуки" и графиков траекторий и скоростей движения конечностей системы "спортсмен" видно, что в момент начала удара все относительные движения завершаются, подвижности в суставах фиксируются (устраняются) система переходит как бы в одно монолитное твердое тело, действующее на мишень.

У спортсменов № 1 и 4 в момент контакта с мишенью (tнач.удара) и в конце ударного взаимодействия (tкон.удара) значительно различается количество движения системы, что создает достаточно большую силу удара. Уменьшение времени контакта руки спортсмена с мишенью при том же импульсе ведет к увеличению силы удара;

5) на рис. 8 представлены графики скоростей о.ц.т., правого плечевого сустава и правого кулака спортсмена № 1. Графики отражают переносное локомоторное движение спортсмена (Vо.ц.м.), относительное ротационно-скручивающее движение туловища (Vплеч.сустава) и относительное движение кулака (Vкулака). Совмещение и сравнение графиков наглядно показывает разделение медленных движений туловища и быстрых движений рук, а также их ранжированное волнообразное соединение в одну ударную технику (от медленных к более о.ц.м. быстрым). В момент начала удара происходит резкое торможение локомоторного и вращательного движений туловища, а скорости руки и кулака имеют максимальное значение. Эта модель похожа на разогнавшийся автомобиль, который резко затормозил и из которого "все что внутри" стремится вылететь под действием силы инерции.

В рамках статьи ставилась задача продемонст рировать некоторые примеры и возможности сравнительного исследования, а не проведения глубокого сравнительного анализа спортивной техники.

Выводы. 

1. Одним из направлений развития и совершенс твования учебной дисциплины "Биомеханика" является применение в учебном процессе мультимедиа информационных технологий. "Погружение" пользователя в виртуальную, интерактивную среду области знания "Биомеханика" позволяет усилить гуманитарную направленность данного предмета.

2. Методико-программный комплекс "Мультимедиа биомеханика" обладает достаточно большими возможностями организации как качествен ного биомеханического исследования двигательных действий в различных видах спорта, так и сравнительного анализа полученных результатов между собой и с базой данных, что позволяет применять комплекс при совершенствовании спортивного мастерства, улучшении качества учебно-тре нировочного процесса и при выполнении УИРС.

3. В статье описана структура МПК "МБ", приводятся примеры проведения биомеханического исследования и сравнительного анализа двигательных действий предметной области "Каратэ-до". Полученные при этом данные и выводы могут широко использоваться для формирования частной биомеханики: "Биомеханика каратэ-до".

Список литературы

1. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. Том 2. Динамика. - М.: Наука, 1971. - 464 с.

2. Дмитриев О.Б., Ахмедзянов Э.Р., Калинина Е.А. Методико-программный комплекс "Мультимедиа биомеханика" для исследования двигательных действий в восточных единоборствах //Восточные единоборства - воинское искусство, спорт и система оздоровления: Сб. статей по матер. междунар. научн.-практ. конф.,18 - 20 ноября 1998 г. /Под ред. Дмитриева О.Б. - Ижевск: УдГУ, 1998, с. 148 - 155.

3. Дмитриев С.В. Предметная область и теоретические основания антропоцентрической биомеханики //Гуманитаризация образования и гуманизация знания: поиск взаимодействия: Межвузовский сборник научных трудов. - Н. Новгород: Изд-во НГПУ, 1998. с. 97 - 102.

4. Донской Д.Д. Биомеханика с основами спортивной техники. - М.: ФиС, 1971. - 288 с.

5. Коренберг В.Б. Основы качественного биомеханического анализа. - М.: ФиС, 1979. - 208 с.

6. Мирошниченко Е.И. Информационная модель экстремального взаимодействия двух биомеханических систем//Теор. и практ. физ. культ., 1998, № 11/12, с. 45 - 54.

7. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании: дидактические проблемы; перспективы использования. - М.: "Школа-Пресс", 1994. - 205 с.

8. Шалманов Ан.А., Донской Д.Д., Шалманов Ал.А. и др. Направления развития биомеханики как учебной дисциплины //Теор. и практ. физ. культ., 1998, № 5, с. 59 - 60.