Методологические основы изучения двигательных действий в спортивной биомеханике

Шалманов, Анатолий Александрович

доктор педагогических наук

Москва

01.02.08

Биомеханика

338

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ ПОДХОД И ТЕОРИЯ

ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ.

1.1. Основные положения методологии научного познания.

1.2. Основные положения деятельностного подхода.

1.3. Основные понятия деятельностного подхода.

1.3.1. Проблемы образования понятий.

1.3.2. Понятие о двигательном действии и навыке.

1.4. Развитие представлений и теорий формирования двигательного навыка и строения двигательного действия.

1.5.Роль и место спортивной биомеханики в изучении двигательных действий.

Глава II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ

ДЕЙСТВИЙ В СПОРТИВНОЙ БИОМЕХАНИКЕ.

2.1. «Статистическая биомеханика».

2.1.1. Логика построения исследований двигательных действий

2.1.2. Проблемы использования статистических методов.

2.1.3. Логико-статистические методы.

2.2. Механико-математические методы.

2.3. Системные методы исследования.

Глава III. ОСНОВНЫЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ

ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ.

3.1. Понятие о кинематических механизмах двигательных действий.

3.2. Основные кинематические механизмы взаимодействия с опорой в прыжковых упражнениях.

3.2.1. Механизм разгибания ног и выпрямления туловища.

3.2.2. Движение маховых звеньев.

3.2.3. Механизм «перевернутого маятника».

3.3. Основные кинематические механизмы в бросках и метаниях . 195 3.3.1. Кинематические механизмы техники питчеровского броска в софтболе

3.4. Основные кинематические механизмы сохранения положения тела в упражнениях на равновесие.

3.4.1. Сохранение положения тела в стойках на ногах с разной величиной площади опоры

3.4.2. Сохранение положения тела в стойке на руках.

Глава IV. КОНЦЕПЦИЯ БИОМЕХАНИЗМОВ КАК ОСНОВА

ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БИОМЕХАНИКИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ.

4.1. Элементный состав биомеханизмов и их функциональные свойства.

4.2. Метод решения задач теоретической биомеханики.

4.3. Результаты исследований по совершенствованию механической модели мышцы.

4.3.1. Изменение показателей электромеханического сопряжения в начале мышечного сокращения.

4.3.2. Изменение показателей электромеханического сопряжения в начале расслабления мышцы

ВЫВОДЫ.

Современное состояние общей биомеханики характеризуется стремительным развитием и внедрением в практику экспериментальных исследований новых технологий и создаваемых на их основе современных методик исследования. Для изучения кинематических и динамических характеристик движений широко используются оптико-электронные системы, механо-электрические и электро-физиологические методики исследования. При этом многие из перечисленных методик стали использовать не только в лабораторных условиях, но и на соревнованиях высокого ранга [52, 53, 198, 247, 280, 181].

Наряду с этим не менее быстрыми темпами развиваются и создаются новые методы исследования. Расширяется круг проблем, которые составляют предмет изучения этой области знания. Но, как и в начале становления биомеханики как науки, одним из основных объектов ее исследования остаются движения человека.

Спортивная биомеханика, представляющая собой одно из направлений общей биомеханики, в этом отношении не является исключением. Среди многочисленных задач этой науки по-прежнему ведущее место принадлежит изучению техники соревновательных и тренировочных упражнений, являющихся основным специфическим средством физического воспитания и спортивной тренировки. Поиск и обоснование наиболее рациональных способов выполнения физических упражнений и повышение их эффективности являются необходимыми условиями роста спортивного мастерства и залогом успеха в соревновательной деятельности спортсменов. Поэтому проблема технической подготовки спортсменов является предметом исследования отечественных и зарубежных специалистов [20, 42, 45, 58, 79, 84, 88, 89, 90, 96, 109, 118, 119, 123, 137, 153, 168, 172, 181, 182. 225,314, 339].

Актуальность исследования. В процессе научного познания исследователи сталкиваются с проблемами двоякого рода. Во-первых, это содержательные проблемы той области знания, которой они занимаются и которые касаются изучаемых объектов и предмета исследования. Во-вторых, это проблемы, связанные с изучением сущности используемых в данной науке методов исследования, обоснованием и правильным оперированием научными понятиями, использованием принципов научного познания и многие другие, т.е. проблемы методологического порядка.

Эффективность решения задач спортивной биомеханики непосредственно связана с решением перечисленных проблем. Однако, как показывает анализ специальной литературы, разработке логико-методологических проблем биомеханики уделено недостаточно внимания. Прежде всего, это касается осмысления сущности и достоинств различных методов исследования, их классификации, изучения способов, условий и границ применения. Решение этих проблем имеет существенное значение и для создания новых методов исследования, появление которых является не только важнейшим фактором прогресса в данной науке, но и основной причиной новых открытий и даже новых научных направлений.

Актуальность исследования методологических проблем спортивной биомеханики вызвана не только гносеологическими соображениями, но и ее современным состоянием как науки. Увеличивается число исследователей, работающих в области биомеханики, растет их специализация в определенных исследовательских направлениях и даже в одном и том же исследовательском коллективе, возрастает число и разнообразие методов исследования. Стремительное накопление и систематизация экспериментальных данных в некоторых областях биомеханики создает предпосылки для перехода от эмпирического к теоретическому уровню исследований, а значит к разработке соответствующих методов исследования.

Применяемый научный метод никогда не бывает произвольным, он определяется характером изучаемого объекта, а также целями и задачами исследования. В связи с этим, еще одной актуальной методологической проблемой является анализ сущности объекта исследования, осуществляемый через анализ системы понятий, в которых отражена эта сущность. Такой анализ необходим не только в познавательных целях, но и для того, чтобы определить место и роль той или иной науки, в частности спортивной биомеханики, в изучении специфических для нее свойств и отношений объекта, выступающих в качестве предмета исследования данной области знаний. Этот вопрос особенно актуален потому, что в последнее время наметилась тенденция в подмене предмета исследования спортивной биомеханики одним из ее объектов, который в рамках изучаемой нами проблемы строения двигательных действий является многопредметным. Из этого следует, что спортивные двигательные действия являются объектом исследования не только биомеханики, но и морфологии, физиологии, психологии, педагогики и других наук.

Таким образом, актуальность нашего исследования определяется разрешением двух взаимосвязанных проблем. Первая проблема касается исследования некоторых методологических аспектов спортивной биомеханики в рамках изучения спортивных двигательных действий. И поскольку в одном исследовании полное ее решение невозможно, то в данной работе будут рассмотрены лишь те вопросы, которые касаются анализа методов исследования и системы понятий, используемых для определения объекта и предмета исследования спортивной биомеханики. Вторая проблема связана с решением некоторых исследовательских задач, касающихся развития методов изучения строения спортивных двигательных действий на эмпирическом и теоретическом уровнях познания.

Цель исследования состояла в повышении эффективности исследований и результатов их внедрения в практику на основе анализа методологических основ изучения двигательных действий в спортивной биомеханике.

Перед исследованием были поставлены следующие задачи:

1. Провести логико-содержательный анализ системы основных понятий, раскрывающих сущность спортивной двигательной деятельности, и определить роль и место спортивной биомеханики в изучении двигательных действий.

2. Систематизировать и рассмотреть особенности существующих методов исследования структуры и состава двигательных действий в спортивной биомеханике.

3. Выявить основные кинематические механизмы, определяющие структуру и строение двигательных действий в локомоторных и перемещающих движениях и при сохранении положения тела в упражнениях на равновесие.

4. Обосновать концепцию биомеханизмов как основы построения теоретической биомеханики двигательных действий.

5. Разработать практические рекомендации по использованию результатов исследования в педагогическом и тренировочном процессе.

Теоретико-методологическими основаниями нашего исследования являлись психологическая теория деятельности C.JI. Рубинштейна и А.Н. Леонтьева, теория многоуровневого строения системы управления двигательными действиями человека Н.А. Бернштейна, теория функциональных систем П.К. Анохина, теория развивающего обучения В.В. Давыдова и методологические основы психологического анализа деятельности В.П. Зинченко.

Объектом исследования являлась спортивная биомеханика, изучающая двигательные действия, которые составляют основу тренировочной и соревновательной деятельности в спорте.

Предмет исследования заключался в изучении строения двигательных действий и в логико-содержательном анализе понятий и методов эмпирического и теоретического исследования этих действий в спортивной биомеханике.

Гипотеза исследования. Эффективность использования различных методов исследования двигательных действий, используемых в спортивной биомеханике, зависит от методологической проработанности слабых и сильных сторон этих методов, изучения способов, условий и границ их применения. Исходя из этого, можно предположить, что результаты логико-содержательного анализа методологических проблем использования и разработки новых методов исследования на основе понятий о кинематических механизмах и биомеханизмах двигательных действий позволят продвинуться в понимании строения двигательных действий и места биомеханики как науки в решении этой проблемы.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем.

Выделен и сформулирован комплекс научно-методологических проблем изучения двигательных действий в спортивной биомеханике.

Проведены систематизация и логико-содержательный анализ существующих методов исследования строения двигательных действий в спортивной биомеханике и анализ системы понятий, составляющих основу спортивно-двигательной деятельности человека.

В результате анализа методологических проблем спортивной биомеханики, связанных с изучением двигательных действий человека, выявлены тенденции ее развития в направлении построения теоретической биомеханики двигательных действий. Оно сводится к установлению механизма движения, выделению основных кинематических механизмов, лежащих в основе двигательного действия, и далее к изучению биомеханизмов как основы построения теоретической биомеханики двигательных действий.

Получены новые данные о составе и способах реализации основных кинематических механизмов двигательных действий в локомоторных и перемещающих движениях и при сохранении положения тела в упражнениях на равновесие, выполняемых в условиях отсутствия внешних возмущающих воздействий.

Разработана концепция биомеханизмов как основа построения теоретической биомеханики двигательных действий в спортивной биомеханике.

В результате экспериментальных исследований процессов электромеханического сопряжения при сокращении и расслаблении скелетной мышцы выявлена еще одна компонента, которую необходимо добавить в механическую модель мышцы для более полного описания механики мышечного сокращения.

Теоретическая значимость результатов исследования определяется тем, что получены знания, позволяющие разработать и дополнить теорию строения и управления двигательными действиями, которая является основой построения теории технической подготовки в спорте.

Полученные экспериментальные данные и теоретические положения позволяют расширить содержание учебного курса биомеханики по разделам: спортивно-техническое мастерство, биомеханика мышечного сокращения и биомеханика отдельных видов двигательных действий, а также уточнить предмет исследования этой науки в изучении спортивной двигательной деятельности.

Методологический анализ и классификация существующих методов исследования двигательных действий в спортивной биомеханике будут способствовать более эффективному их использованию и правильному применению.

Введение в биомеханику строения спортивных двигательных действий понятий о кинематических механизмах и биомеханизмах, как основы анализа и конструирования двигательных действий, может служить основой для построения теоретической биомеханики.

Уточнение элементного состава механической модели мышцы за счет введения дополнительной четвертой компоненты, которая играет связующую роль между контрактильной и последовательной упругой компонентами, позволяет точнее описать последовательность механических явлений в начале мышечного сокращения.

Практическая значимость проведенного исследования заключается в том, что предлагаемый метод анализа строения двигательных действий на основе выделения биомеханизмов позволит не только расширить наши знания о строении двигательных действий, но и может лечь в основу разработки методических подходов к обучению и совершенствованию техники спортивных упражнений.

Анализ возможностей различных методов исследования двигательных действий в спортивной биомеханике, а также сведения об области их применения и ограничениях в использовании помогут исследователям в их практической работе.

Результаты исследования дают возможность улучшить программы подготовки специалистов в академиях и институтах физической культуры, а также на факультетах физического воспитания педагогических институтов по предметам - биомеханика, спортивная метрология, психология, теория и методика видов спорта. Материалы диссертации и научные публикации могут способствовать повышению профессиональной компетентности при прохождении переподготовки в институтах повышения квалификации. Использование понятий «основные кинематические механизмы» и «биомеханизмы» позволят иначе подходить к подбору тренировочных упражнений в процессе технической подготовки спортсменов. и

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Спортивное двигательное действие представляет собой сложный объект исследования, познание сущности которого тесно связано с деятельностным подходом и возможно с позиций разных наук (педагогики, психологии, физиологии, биомеханики и др.). Основная задача спортивной биомеханики в его изучении состоит в раскрытии сущности исполнительной, двигательной стороны действия, разумеется, учитывая то, что она всегда определяется психической и физиологической деятельностью мозга, обеспечивающей не только управление движениями, но также ориентировочную и контрольную части двигательного действия.

2. Современные представления об особенностях строения двигательных действий человека и возможность дальнейшего изучения закономерностей их формирования и совершенствования в спорте должны осуществляться с учетом особенностей существующих и созданием новых методов исследования в спортивной биомеханике.

3. Эффективность изучения спортивно-двигательных действий, обучение и совершенствование техники спортивных движений должны базироваться на использовании знаний об основных кинематических механизмах и биомеханизмах, лежащих в их основе.

4. Построение теоретической биомеханики некоторых видов двигательных действий возможно на основе введения понятия биомеханизмов, являющихся идеализированными моделями двигательного аппарата человека.

5. Более полное описание механических явлений в начале мышечного сокращения возможно лишь при введении четвертой (связующей) компоненты в механическую модель мышцы.

Достоверность и апробация полученных результатов исследования и выводов подтверждаются: логико-содержательным анализом отечественной и зарубежной литературы по проблемам двигательной деятельности человека и, в частности, спортивно-двигательной деятельности, которые являлись предметом исследования в философии, педагогике, психологии, биомеханике, теории спортивной тренировки; использованием комплексного системного подхода к решению поставленной проблемы; адекватностью использованных современных методик и методов исследования; достаточным количеством испытуемых и экспериментов, а также научными публикациями по теме диссертационного исследования.

Апробация результатов исследования проходила на кафедрах педагогики, биомеханики, физиологии, спортивно-педагогических кафедрах, институте повышения квалификации и ВШТ РГАФК, отделе спорта высших достижений ВНИИФК. Результаты исследования неоднократно докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских конгрессах, конференциях и симпозиумах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы, включающей 359 наименований отечественных и зарубежных авторов. Основной текст изложен на 334 страницах машинописного текста, включает в себя 41 рисунок и 38 таблиц.

ВЫВОДЫ

1. До настоящего времени в спортивной биомеханике и в биомеханике двигательных действий, в частности, исследователи сосредотачивали основное внимание на содержательных проблемах изучаемых объектов, оставляя в стороне проблемы методологического порядка. Недостаточное внимание уделялось анализу сущности системы основных понятий, касающихся предмета исследования спортивной биомеханики, применительно к изучению спортивных двигательных действий и анализа методов их исследования. Решение этих проблем имеет непосредственное отношение к повышению эффективности изучения спортивной двигательной деятельности человека.

2. Логико-содержательный анализ понятий о двигательном действии, умении и навыке, проведенный с позиций психологии, физиологии, педагогики и биомеханики, показал, что они отражают весьма сложные явления, являющиеся объектом исследования разных наук. Многопредметный характер этих объектов привел к тому, что они неоднозначно определяются представителями разных наук, которые отражают в этих понятиях специфические особенности и возможности своей области знания.

Основная задача спортивной биомеханики в изучении двигательных действий состоит в том, чтобы раскрыть сущность исполнительной, двигательной стороны действий, учитывая то, что она всегда определяется психической и физиологической деятельностью мозга, обеспечивающей не только управление движениями, но также ориентировочную и контрольную части двигательного действия.

3. Многообразие методов исследования двигательных действий в спортивной биомеханике сводится к трем основным группам.

Первую группу составляют методы, основанные на идеях и методах математической статистики, которые часто рассматриваются лишь как средства обработки полученных данных. Их использование привело к возникновению логико-статистических методов, специально разработанных для изучения техники спортивных движений. Анализ этих методов позволил выявить недостатки и ограничения в использовании, а также перспективы их дальнейшего совершенствования, в особенности, в сочетании с другими методами исследования. Так, например, метод регрессионных остатков позволяет оценить реализационную эффективность техники спортсменов, т.е. сравнить их между собой, но не отвечает на вопрос о том, в чем эти различия состоят.

Во вторую группу входят механико-математические методы, основу которых составляют методы механико-математического моделирования, в том числе имитационного, и методы, основанные на применении основных законов динамики и вытекающих из них следствий.

Третья группа методов возникла и развивается на идеях системного подхода, основанного на принципах целостности и системности строения сложных объектов и явлений. Эти методы, в сочетании с логико-статистическими и механико-математическими, обладают наибольшей перспективностью в разработке теоретической биомеханики.

4. На основании идей системного подхода разработан метод выделения и изучения основных кинематических механизмов строения двигательных действий. Проведена экспериментальная проверка работоспособности метода при изучении отталкивания от опоры в различных прыжковых упражнениях, бросках и метаниях, а также в упражнениях на равновесие, выполняемых в условиях отсутствия внешних возмущающих воздействий.

В основу метода положены следующие положения:

• Тело человека представляет собой сложную многозвенную систему и, следовательно, для управления ее движением мозг объединяет часть звеньев в соответствующие подсистемы (основные кинематические механизмы), которые могут действовать независимо друг от друга, но при этом их функционирование направлено на достижение общей цели действия.

• Каждый из кинематических механизмов может формироваться как из разных, так и из одних и тех же звеньев тела; имеет принципиальное отличие в своем функционировании, но при этом может реализовываться по-разному в зависимости от выполняемого двигательного задания.

• Реализация каждого кинематического механизма обусловлена строением двигательного аппарата человека и биомеханическими характеристиками мышц, участвующих в выполнении двигательного действия.

• Относительно независимые кинематические механизмы зависят друг от друга в процессе выполнения двигательного действия, т.е. реализация одного из них может положительно или отрицательно влиять на реализацию других.

5. В основе взаимодействие с опорой в различных прыжковых упражнениях лежат следующие основные кинематические механизмы:

• Разгибание ног (ноги) и выпрямление туловища.

• Движение маховых звеньев тела.

• Поворотное движение тела как целого по механизму «перевернутого маятника».

Механизм разгибания ног (ноги) и выпрямления туловища осуществляется за счет последовательного разгибания в суставах нижних конечностей, разнонаправленного изменения углов в соседних суставах тазобедренном и коленном, коленном и голеностопном) и оптимального сгибания ног (ноги) в коленных суставах. Последовательность и временная организация суставных движений зависят от начальных условий отталкивания и типа прыжка.

Механизм движения маховых звеньев выполняется за счет вращательного движения в плечевых (для рук) и тазобедренном (для ноги) суставах, изменения биомеханической длины маховых звеньев и ускоренного движения вверх плечевых и тазобедренного суставов («точек подвеса» маховых звеньев).

Механизм «перевернутого маятника» в прыжках с разбега реализуется за счет постановки толчковой ноги под возможно меньшим углом к опоре, при условии отсутствия выраженного сгибания ног (ноги) в коленных суставах в фазе амортизации и оптимальном наклоне туловища назад относительно вертикали.

Роль и вклад основных кинематических механизмов зависят от вида прыжка, начальных условий его выполнения и задачи, стоящей перед спортсменом. Так, например, в прыжках в длину с разбега на механизм разгибания ноги и выпрямления туловища приходится около 45-50%, на движение маховых звеньев - около 40% (14% за счет движения рук) и на механизм «перевернутого маятника - около 10-15%.

6. В перемещающих движениях (броски и метания) максимальная (или оптимальная) скорость рабочего звена и снаряда может достигаеться двумя основными кинематическими механизмами: «хлестом» и поворотным движением кинематической цепи (руки) как целого (стержня).

Механизм «хлеста» реализуется последовательным разгоном и торможением звеньев тела. При этом оптимальное временное соотношение между максимумами скоростей звеньев тела является не менее важным показателем техники, чем величины самих скоростей. Такая организация движений позволяет использовать энергию упругой деформации мышц и закон сохранения кинетического момента для увеличения скорости рабочего звена тела.

При поворотном движении кинематической цепи как целого скорости звеньев тела изменяются и достигают своих максимальных значений одновременно. Скорость рабочего звена определяется биомеханической длиной кинематической цепи и угловой скоростью ее вращения. Неизменность длины и формы кинематической цепи достигается путем закрепления суставов мышцами-антагонистами, либо ограничениями подвижности в суставах, обусловленными их строением.

7. Основным кинематическим механизмом сохранения равновесия тела человека в стойках на ногах и на руках в условиях отсутствия внешних возмущающих воздействий является механизм «перевернутого маятника», осуществляемый изменениями углов в базовых суставах (соответственно, голеностопных и лучезапястных).

В стойках на ногах (ноге) управление устойчивостью осуществляется преимущественно за счет изменения жесткости связи в голеностопных суставах, которая достигается одновременной содружественной активностью мышц-антагонистов. С увеличением трудности задания (уменьшение площади опоры, переход от стойки на двух ногах к стойке на одной ноге) данный способ управления мышечной активностью проявляется в большей степени, что доказывается возрастанием корреляции интегрированной электрической активности мышц голени с координатами центра давления.

В стойке на руках, выполняемой с захватом опоры (стойка на акробатических стоялках), управление устойчивостью осуществляется за счет реципрокного взаимодействие мышц, т.е. попеременной активностью мышц-антагонистов, обслуживающих лучезапястные суставы.

8. Разработана концепция биомеханизмов как основа построения теоретической биомеханики двигательных действий, которая является логическим развитием метода выделения основных кинематических механизмов. Реализация этой концепции была проведена на примере прыжковых упражнений с использованием методов механико-математического моделирования. Результаты экспериментальной проверки корректности теоретических следствий, вытекающих из логического анализа данного вида движений, основанных на применении данной концепции, показали перспективность ее дальнейшего развития и использования.

9. Экспериментально доказана необходимость введения четвертой компоненты в механическую модель мышцы для более точного объяснения механических явлений, происходящих в начале мышечного сокращения. Данный вывод основан на изучении процессов электромеханического сопряжения, происходящих в мышце в начале сокращения, а также на сравнении полученных данных с аналогичными процессами при расслаблении мышцы. Показано, что с уменьшением длины мышцы (изменением угла в суставе) увеличивается временная задержка между началом возникновения в ней электрической активности и началом ее механического ответа. Для икроножных мышц величина этого временного интервала нелинейно изменяется в пределах от 17 до 128 мс при изменении угла в голеностопном суставе в пределах его наибольшего размаха. Данный факт можно объяснить лишь введя четвертую (связующую) компоненту в механическую модель мышцы.

Кроме того, доказана возможность использования некоторых показателей электромеханического сопряжения для организации педагогического контроля за состоянием нервно-мышечного аппарата спортсменов.

10. Анализ методов исследования двигательных действий, тенденций их развития, а также результаты собственных исследований показывают, что процесс теоретизации спортивной биомеханики, применительно к изучению двигательных действий, необходимо осуществлять в следующей последовательности: от выявления механизма движения, устанавливающего связь между кинематикой движения и действующими на тело силами, к изучению основных кинематических механизмов, лежащих в основе двигательного действия, и далее к биомеханизмам - идеализированным моделям части или всего двигательного аппарата человека.