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.
Для подготовки данной работы были
использованы материалы с сайта http://lib.sportedu.ru/