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.