152867 (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.