Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические и методологические предпосылки исследования биомеханической структуры точностных двигательных действий 18
1.1. Управление движениями как результат интеграции деятельности центральных и периферических механизмов 18
1.1.1. Центральные механизмы управления движениями 18
1.1.1.1. Общие положения 18
1.1.1.2. Сенсорные системы в управлении движениями 27
1.1.1.3. Функции двигательных центров 31
1.1.2. Периферические механизмы управления движениями 35
1.2. Системно-структурный подход в изучении двигательных действий 40
1.3. Точностные двигательные действия как предмет исследования 47
1.4. Заключение по главе 56
ГЛАВА 2. Цель, задачи, методы и организация исследования 58
2.1. Цель, задачи и методы исследования 58
2.1.1. Теоретические методы исследования 59
2.1.2. Педагогические методы исследования 60
2.1.3. Биомеханические методы исследования 62
2.1.4. Методы математической статистики 64
2.2. Организация исследования 66
ГЛАВА 3. Обоснование и разработка методик изучения биомеханической структуры точностных двигательных действий 75
3.1. Определение основных понятий 75
3.2. Требования к методикам изучения особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий 82
3.3. Устройства для изучения биомеханической структуры точностных двигательных действий 90
3.3.1. Устройство для определения быстроты и точности движений кисти и предплечья 90
3.3.2. Устройство для измерения длительности движений и их фаз 96
3.3.3. Многоцелевой кинематометр 102
3.3.4. Устройство для измерения пространственных и временных характеристик точностных движений при взаимодействии с внешними силами различной природы 107
3.5. Заключение по главе 114
ГЛАВА 4. Теоретическое и экспериментальное исследование фазовой структуры точностного движения 116
4.1. Предпосылки выделения фаз в точностном движении 116
4.2. Особенности фаз точностного движения 124
4.2.1. Содержание и границы фаз точностного движения 129
4.2.1.1. Содержание и границы фаз быстрого точностного движения 129
4.2.1.2. Содержание и границы фаз медленного точностного движения 139
4.2.1.3. Содержание и границы фаз максимально быстрых точностных движений 143
4.3. Заключение по главе 151
ГЛАВА 5. Функционирование двигательного аппарата при осуществлении точностных движений 154
5.1. Временная структура максимально быстрых точностных движений 155
5.1.1. Специфика временной структуры максимально быстрых точностных движений у детей, юношей и девушек 155
5.1.2. Временная структура максимально быстрых точностных движений у взрослых . 168
5.1.3. Половые различия временной структуры максимально быстрых точностных движений 173
5.2. Пространственная точность и кинематические характеристики максимально быстрых точностных движений 179
5.3. Электрическая активность мышц при выполнении максимально быстрых точностных движений 194
5.4. Динамика точности медленных точностных движений, выполняемых в различных условиях 204
5.5. Особенности обработки информации, поступающей с периферии, при выполнении точностных двигательных действий 208
5.6. Заключение по главе 216
ГЛАВА 6. Биомеханические основы точности движений как координационной способности человека 219
6.1. Основополагающий принцип и закономерности прогрессирования биомеханической структуры точностного двигательного действия 219
6.2. Концепция формирования и прогрессирования биомеханической структуры точностного двигательного действия 228
6.3. Точность как характеристика эффективности процесса управления движением и способность человека 232
6.3.1. Эволюция понятия "точность" в теории физического воспитания и биомеханике 232
6.3.2. Принципы воспитания точности 242
6.4. Заключение по главе 246
Выводы 248
Практические рекомендации 256
Список литературы
- Центральные механизмы управления движениями
- Биомеханические методы исследования
- Требования к методикам изучения особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий
- Содержание и границы фаз точностного движения
Введение к работе
Проблема и актуальность исследования. В настоящее время наблюдается всплеск интереса к проблемам точности движений. Это объясняется как разработанностью вопросов методологии воспитания таких физических качеств, как сила, быстрота, выносливость, гибкость, так и наличием лишь немногих принципиальных работ по точности движений. При этом точность часто является если не ведущим, то сопутствующим фактором, определяющим успешность двигательной деятельности, результат не только в движениях, оценка которых производится по конечной, целевой точности, но и в движениях, содержащих "точностные" фазы. Большое значение для актуализации проблем точности имеет также рост популярности новых видов спорта (дартс, керлинг и др.) и возникновение профессий (в особенности связанных с управлением быстротекущими процессами, быстродвижущимися машинами и механизмами), эффективность двигательной деятельности которых прямо зависит от точности движений. Это характеризует возрастающие потребности практики в разработке соответствующих теоретических положений.
В то же время в теории и методике физического воспитания и спортивной тренировки, биомеханике сложилось положение, которое характеризуется тем, что, во-первых, с одной стороны, точность идентифицируется с меткостью (СВ. Голомазов, 1996), с соответствующим набором принципов и базирующихся на них методов и средств воспитания, что приводит к неоправданно широкому их обобщению. С другой стороны, для воспитания точности движений часто предлагаются средства и мето-
ды, не имеющие теоретического обоснования, отобранные на основе внешнего сходства с профессиональным или спортивным движением, эффективность которого предполагается повысить, часто воздействуя не на точность, как способность человека, а на сопутствующие физические способности, влияющие на проявление точности в конкретном целостном движении (П.З. Си-рис, В.А. Кабачков, 1988; В.А. Кабачков, 1996 и др.)- Это является следствием того, что вопросы точности движений преимущественно разрабатывались в работах по спортивным играм (СВ. Голомазов, 1973, 1996; В.В. Чикалов, 1982; В.К. Бутаев, 1991 и др.), стрелковому спорту (Н.А. Калиниченко, 1969; Б.Б. Севастьянов, 1975 и др.) и профессионально-прикладной физической подготовке (П.З. Сирис, В.А. Кабачков, 1988; В.А. Кабачков, 1996 и др.).
Во-вторых, биомеханическая сущность точностных двигательных действий изучалась в русле двух методических подходов. Её внешняя (механическая) составляющая получила наиболее полное освещение в связи с изучением реальных двигательных действий из практики профессиональной и спортивной двигательной деятельности (Н.А. Бернштейн, 1923; А.А. Егоров, 1966; В.М. Зациорский, СВ. Голомазов, 1972; СВ. Голомазов, В.М. Зациорский, 1979; А.В. Ивойлов, 1986; СВ. Голомазов и др. 1994; СВ. Голомазов, 1996; А.П. Золотарёв, 1997; СВ. Голомазов, Б.Г. Чирва, 19986 и др. многочисленные работы СВ. Голомазова и учёных его школы). Биологическая же сущность точностных движений в большинстве подобных работ оказывалась вне поля зрения исследователей. В то же время ещё Н.А. Бернштейн (1965) убедительно показал, что для описания функционирования биологического, живого объекта "кроме вопросов "как" и "почему", исчерпывающе достаточных в физике или в
химии, необходимо добавить ещё третий вопрос: "для чего"? Наоборот, информационная структура точностных двигательных действий изучалась в основном на примерах решения искусственных двигательных задач, значительно отличающихся от двигательных задач реальных двигательных действий (R.A. Schmidt et aL, 1979; M.R. Sheridan, 1981; Н.Д. Гордеева и др. 1998). Причём, результаты, полученные в русле названных методических подходов, часто игнорируют друг друга. Такая ситуация характерна, с точки зрения методологии науки, для глубокого изучения явления изолированно с различных позиций; преодоление кризиса существующей парадигмы, дальнейшее развитие теории объекта, лежит только в системном его рассмотрении (T.S. Kuhn, 1970; Р. Даугс, 1997).
Во многом описанным положением объясняется тот факт, что до сих пор не определено место точности движений среди физических качеств и способностей человека. Разные авторы трактуют понятие точность (а также производные от него) по-разному - от категоричного признания точности лишь качественной характеристикой движения (В.П. Лукьяненко, 1991), до толкования точности как общепризнанного "двигательно-координационного качества" (Л.Д. Назаренко, 2001а, б). Однако даже авторы, характеризующие точность лишь как качественную характеристику, результат, применяют выражения "совершенствование точности движений" (В.П. Лукьяненко, 1991), "методика совершенствования целевой точности двигательных действий" (СВ. Голомазов, 1996), "работа над развитием точности" (В.Б. Коренберг, О.А. Созинова, 2000) и т.п., хотя совершенствовать и развивать можно именно физические качества и способности, а не результат движения.
Таким образом, исходным пунктом предпринятого диссертационного исследования является проблема, которая заключается в противоречии между потребностями практики спортивной тренировки и профессионально-прикладной физической подготовки в значительном повышении эффективности процесса воспитания точности движений и отсутствием необходимых для этого теоретических основ точности как атрибута двигательной функции живых систем, интегрирующих как значение механических факторов, лежащих в основе достижения точности, так и биологических, информационных компонентов организации движений, прямо влияющих на их результат.
Разрешение проблемы теоретического обеспечения процесса воспитания точности несомненно актуально вследствие всевозрастающих запросов практики, а последние достижения теоретической1 и практической2 биомеханики позволяют прогнозировать значительное расширение методологических подходов к решению задач двигательной точности.
Объект исследования. Двигательная деятельность человека.
Предмет исследования. Биомеханическая структура точностных двигательных действий, как содержание и взаимосвязь центральных и периферических механизмов, обеспечивающих управление и реализацию точностных движений.
Гипотезой исследования являлось предположение о том, что изучение с позиций системно-структурного подхода особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий
1 Разработка антропоцентрического направления биомеханики (СВ. Дмитриев, 1999, 2003;
Д.Д. Донской, СВ. Дмитриев, 1999; Ю.А. Гагин, СВ. Дмитриев, 2000), введение понятий о
валентности и переходных процессах (И.М. Козлов, 1999), определение значения перифе
рических механизмов при управлении быстрыми движениями (И.М. Козлов, 1999; Н.Б. Ки-
чайкина, И.М. Козлов, Я.К. Коблев, А.В. Самсонова, 2000).
2 Изучение моторных и сенсорных компонентов биомеханической структуры движений
(А.В. Самсонова, 1997), а также интегративной активности двигательного аппарата в каче
стве анализатора, двигателя и рекуператора энергии (A.M. Доронин, 1999).
различных классов, её информационной и механической подструктур позволит вывести процесс решения проблем управления движениями в спортивной тренировке и профессионально-прикладной физической подготовке специалистов, в деятельности которых требуется высокая степень соответствия пространственных характеристик движений требованиям двигательной задачи, на качественно новый уровень - определить место точности движений в структуре физических качеств и способностей человека, выявить факторы, лимитирующие уровень точности, дать теоретическое обоснование принципам её воспитания.
Теоретико-методологическая основа исследования. Исследования базируются на принципах рефлекторной теории И.М. Сеченова и И.П. Павлова, системного подхода к анализу психофизиологических процессов П.К. Анохина, положениях теории многоуровневого построения движений и физиологии двигательной активности Н.А. Бернштейна, системно-структурного подхода в изучении спортивных двигательных действий Д.Д. Донского, концепции прогрессирующей биомеханической структуры движения И.М. Козлова, общих закономерностях физического воспитания и спортивной тренировки, основах теории обучения двигательным действиям, изложенных в работах А.Д. Новикова, Л.П. Матвеева, В.М. Зациорского, М.М. Богена.
Научная новизна - заключается в том, что, изучение точностного двигательного действия как системы, имеющей в своей структуре информационную и механическую подсистемы, позволило впервые:
— определить основные понятия, связанные с точностью
движений;
- разработать и теоретически и экспериментально подтвер
дить положения о фазовой структуре точностного движения,
программной регулируемости потоков информации, принимаемой к обработке в различные моменты движения, последовательном функционировании центрального и периферического механизмов управления быстрыми точностными движениями, моторного и сенсорного компонентов организации движений;
разработать принципы воспитания точности движений, являющиеся методологической основой для обоснования существующих и разработки новых средств и методов воспитания точности;
теоретически обосновать требования к устройствам для изучения особенностей формирования и прогрессирования биомеханической структуры точностных двигательных действий, изготовить их опытные образцы.
Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что показана целесообразность раздельного изучения медленных, быстрых (метательных) и максимально быстрых точностных д. д., имеющих специфические особенности на уровне информационной и механической подструктур; разработана концепция формирования и прогрессирования биомеханической структуры точностного двигательного действия, основными положениями которой являются следующие заключения:
- Точностные движения имеют фазовый состав (фазы дос
тавки, реализации и завершения) и характерную биомеханиче
скую структуру. Основной задачей фазы доставки является соз
дание предпосылок для успешного решения задачи фазы реали
зации точности - принятие оптимального положения и создание
необходимого импульса. Задача фазы реализации совпадает с
общей двигательной задачей целостного движения — принятие
частью тела или снарядом определённого положения в про
странстве. Это определяет преимущественно последовательную
реализацию моторного и сенсорного компонентов организации точностного д.д.
Процесс коррекции точностного движения определяется тем, что объём информации, принимаемой с периферии для обработки в центральной нервной системе, программно регулируется на основе оценки субъективной сложности движения в различные фазы.
Основополагающим принципом прогрессирования биомеханической структуры точностного движения является принцип "наибольшего молчания", который заключается в том, что мышцы звена, непосредственно осуществляющего движение в фазе реализации, и близлежащих звеньев как можно раньше исключаются из активной работы (связанной с сокращением мышц) по принятию наилучшего положения и приобретению достаточного импульса движения. Осуществление движения в завершающих фазах за счёт периферических механизмов путём рекуперации энергии, накопленной ранее, позволяет значительно снизить поток информации о реализации моторного компонента организации движения, являющейся шумом при распознавании аффектор-ной импульсации о положении рабочей части тела. Это, в свою очередь, даёт возможность более качественно дифференцировать информацию о положении рабочей части тела.
Биомеханическая структура быстрых и медленных точностных движений прогрессирует по пути увеличения числа звеньев кинематической цепи, осуществляющей движения фазы доставки. Биомеханическая структура максимально быстрых точностных движений наиболее стабильна.
Движения фазы доставки обычно осуществляются более длинными кинематическими цепями, соединения звеньев которых имеют большое число степеней свободы, что ведёт к росту
сложности управления. Однако центральное управление движениями фазы доставки даёт возможность удлинять кинематическую цепь без снижения точности. Управление движениями фазы реализации, особенно быстрых и максимально быстрых точностных д. д., осуществляется за счёт периферических механизмов. Оно основано на высокой предсказуемости движений в дистальных суставах, имеющих малое число степеней свободы и предсказуемости движений звена, фиксированного при помощи одновременной активности мышц-антагонистов.
Представленная концепция дополняет массив теоретических знаний о механизмах достижения пространственной точности как в медленных, управляемых на основе обратной связи, так и в быстрых движениях, когда центральное управление на основе сенсорных коррекций затруднено или невозможно.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
Во-первых, сформулированные на основе анализа особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий и её прогрессирования принципы воспитания точности движений являются методологической платформой создания новых средств и методов воспитания этой способности.
Во-вторых, полученные новые фактические данные об особенностях функционирования центральных и периферических механизмов управления точностным движением в различные его фазы используются в лекциях по курсу теории и методики физического воспитания и биомеханики, что повышает качество образования.
В-третьих, разработанные методики оценки и воздействия на различные компоненты биомеханической структуры точностных движений могут быть использованы для решения практических за-
дач возрастной и дидактической биомеханики, теории и методики физического воспитания, физиологии, лечебной физической культуры, спортивной медицины, травматологии и ортопедии.
В-четвёртых, данные об особенностях программирования и реализации максимально быстрых точностных движений могут быть использованы при конструировании пультов управления, планировании физической подготовки специалистов, профессиональная деятельность которых происходит в условиях, значительно отличающихся от условий земной гравитации (в авиации и космонавтике).
В-пятых, положение о преимущественно последовательной реализации моторного и сенсорного компонентов организации точностного д.д., а также сведения о влиянии на структуру точностного движения внешних сил различной природы в большой мере снимают противоречие между процессами воспитания силы и точности, что может внести значительные изменения в процесс физической подготовки в видах спорта, двигательные действия в которых требуют проявления силы и точности.
Положения, выносимые на защиту:
1. Точностное движение можно разделить на три фазы: доставки, реализации и завершения. В фазе доставки решается задача создания наилучших предпосылок для успешного осуществления движения в фазе реализации. К таким предпосылкам относятся, прежде всего, положение, соответствующее анатомии суставов звена, по движению которого оценивается точность, и импульс (количество движения), достаточный для возможно более раннего выключения из активной (основанной на механизмах мышечного сокращения) работы по доставке звена, по движению которого оценивается точность. Задача фазы реализации
- реализовать пространственные характеристики, детерминированные в задаче всего движения.
Процесс коррекции (оперативной или последующей) точностного движения определяется не объёмом информации, продуцируемой на периферии, но в большей мере той её частью, которая, в порядке значимости, принимается к обработке центральной нервной системой. Причём, объём афферентной информации, принимаемой к обработке ЦНС, программно регулируется на основе оценки сложности движений в различные фазы через призму двигательного опыта индивида.
Прогрессирование биомеханической структуры точностного д.д. происходит по принципу "наибольшего молчания", в основе которого лежит интеграция активности мышцы как двигателя и анализатора и, частично, рекуператора энергии. В соответствии с данным принципом, мышцы звена, по движению которого оценивается точность, и близлежащих звеньев, преимущественно освобождаются от активной работы по доставке к месту реализации точности, что позволяет очистить канал связи от помех с работающих мышц ("мышцы молчат") для качественного приёма информации проприо- и тактильных рецепторов, что в свою очередь позволяет повысить эффективность оперативной и последующей коррекции.
Основная проблема управления быстрыми и максимально быстрыми точностными движениями в том, что процесс движения непрерывен, а процесс коррекции дискретен. Очень упрощённо процесс коррекции сводится к следующим операциям: 1) ЦНС получает информацию о критическом (ведущем к невыполнению двигательной задачи) несоответствии параметров текущего движения, заданным в программе параметрам; 2) учитывая непрерывность движения, ЦНС прогнозирует характеристики по-
ложения и движения (с реальными его параметрами, сведения о которых поступили с периферии) на момент предполагаемого внесения коррекций и создаёт новую программу движения для решения двигательной задачи; 3) нервный импульс, созданной таким образом новой программы, посылается на периферию. Столь сложный процесс должен иметь достаточно времени для реализации. Поэтому в быстрых и максимально быстрых точностных движениях значительная центральная коррекция возможна лишь в фазе доставки. Управление движением в скоротечной фазе реализации осуществляется за счёт наиболее предсказуемых периферических механизмов. Строение человеческой руки, органа эволюционно созданного для выполнения точностных движений, как нельзя более подходит для реализации такой схемы управления. Проксимальные суставы, обеспечивающие в большинстве случаев движения в фазе доставки, обладают наибольшей подвижностью, но длительность фазы доставки позволяет корректировать возможные грубые ошибки центрально. Дисталь-ные суставы, движения в которых обычно заканчивают фазу реализации, имеют одну степень свободы, движения в них легко прогнозируются, заранее программируются и осуществляются за счёт периферических механизмов управления. При выполнении движения в фазе реализации недистальными частями тела подвижность в суставах, имеющих две-три степени свободы, часто ограничивается путём изменения положения туловища или Других частей тела. Это также создаёт условия для управления движением в кратковременной фазе реализации за счёт периферических механизмов.
5. Принципы воспитания точности движений.
Достоверность результатов обеспечена современной теоретической и методологической базой исследования, преемст-
венностью, непротиворечивостью и экспериментальной проверкой выдвинутых теоретических положений, применением новейших компьютерных технологий сбора, хранения и обработки данных, соблюдением метрологических требований к тестам, корректной математико-статистической обработкой полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в монографии, двух учебных пособиях, одних методических рекомендациях, 42 статьях и тезисах, представлены на четырёх международных научно-практических конференциях, седьмой Всероссийской конференции по биомеханике. Разработанные устройства, на которые получены четыре свидетельства о рационализаторских предложениях (прил. 1 - 4), используются в научных исследованиях лаборатории биомеханики института физической культуры и дзюдо АГУ, учебной и научно-исследовательской работе кафедры биомеханики института физической культуры и дзюдо АГУ, учебно-тренировочном процессе Адыгейской республиканской школы высшего спортивного мастерства, итоги исследования представлены в лекционных курсах кафедр биомеханики Санкт-Петербургской государственной академии физической культуры им. П.Ф. Лесгафта, теории и методики физической культуры и спорта Сочинского государственного университета курортного дела и туризма, физического воспитания Майкопского государственного технологического университета(прил. 5-10).
Центральные механизмы управления движениями
Большую известность получили работы Ч. Шеррингтона по рефлекторной координации работы мышц-антагонистов. Им было введено понятие "реципрокной иннервации", под которой понималась "корреляция" деятельности антагонистических мышц, когда одна мышца антагонистической пары расслабляется во время активного сокращения её механического оппонента (C.S. Sherrington, 1897). Позже реципрокная иннервация была подвергнута анализу и систематизации в работах Ч. Шеррингтона (C.S. Sherrington 1898, 1900, 1905, Ч. Шеррингтон, 1906 и др.), А.А. Ухтомского (1911), И.С. Беритова (1915) и др.
Следует отметить, что впервые мысль о расслаблении антагониста во время активности агониста высказал С. Bell (1823). Позже подобное явление описал П. Спиро (1876).
Открытие реципрокной иннервации мышц-антагонистов оказало значительное влияние на труды физиологов начала XX века. Так в трудах R. Wagner (1925), К. Wacholder (1928), Н. А1enburger (1937), R.W. Sperry (1939), D.R. Wilkie (1949) одновременная активность антагонистов рассматривалась скорее как исключение или даже нежелательное явление.
Важнейшую роль анализаторов в управлении движением отмечает А.Н. Крестовников (1951). Отводя ведущее место зрительному и кинестетическому анализаторам, он подчёркивает, что только "во взаимной обусловленности всех афферентных систем, принимающих участие в данном движении, происходит выполнение приобретаемых нами в процессе жизни двигательных навыков". Он формулирует понятие о комплексном анализаторе, в состав которого в качестве обязательного звена входит кинестетический анализатор. В зависимости от особенностей движения ведущее значение в тот или иной момент имеет зри 20 тельный, тактильный, вестибулярный, звуковой, висцеральный, кожный анализаторы.
А.А. Ухтомский (1950), исследуя закономерности формирования двигательного навыка, вводит принцип доминанты, согласно которому во время выполнения движения, являющегося для организма главным, всё подчиняется ему. Благодаря наличию доминанты, достигается наилучшая координация между аппаратом движения и остальными системами организма.
Согласно воззрениям П.К. Анохина (1980), двигательный акт может быть представлен как функциональная система - центрально-периферическое интегративное образование, направленное на достижение приспособительного эффекта. Выполнение движения производится специфичной для него функциональной системой; таких систем может быть столько, сколько возможно различных движений.
Стремясь объяснить феномен приспособительной изменчивости реакций, П.К. Анохин (1976) расширяет рамки теории И.П. Павлова, разработав концепцию опережающего отражения действительности. Это позволило ему ввести в схему управления реакциями образ цели ("акцептор действия"), регулирующий действие по принципу обратной афферентации.
Оставаясь на позициях условно-рефлекторной теории, П.К. Анохин (1976) трактует механизм формирования акцептора действия как сложный условный рефлекс, в котором внешний сигнал формирует мгновенный ответ, обеспечивающий приспособление организма к ещё не наступившим событиям. Этот механизм назван им "опережающим отражением" и на его основе формируется образец конечного результата действия, позволяющий корректировать ошибки поведения. Н.А. Бернштейн (1947) создаёт принципиально новую теоретическую концепцию управления движениями, в основе которой лежит не приспособление к условиям среды, не ответы на внешние раздражители, а осознанное подчинение среды, её перестройка в соответствии с потребностями индивидуума. Учёный предположил наличие некоторой программы, хранящейся в центральной нервной системе (ЦНС) в закодированном виде и являющейся точным отображением того, что далее будет иметь место на периферии.
Исследуя структуру движений, Н.А. Бернштейн (1966) устанавливает их способность реагировать как на изменения условий исполнения действия, так и на колебания их собственной структуры. Движение программируется смыслом, который выступает как основа "образа потребного будущего". Основой механизма управления является кольцевой процесс, который содержит не только ответ на раздражение, но и оценку ответа, сигнал о котором поступает в управляющий орган по каналам обратной связи.
Предположение об участии центростремительной иннервации в регуляции деятельности мышц высказывалось ещё И.М. Сеченовым (1878), который называл информацию от проприоре-цепторов "тёмным чувством".
Биомеханические методы исследования
Педагогический эксперимент Важная роль в работе принадлежала педагогическому эксперименту. Для решения задач исследования было проведено восемь педагогических экспериментов.
Задачей первого педагогического эксперимента являлось экспериментальное подтверждение неоднородности быстрого точностного движения, сильной обусловленности биомеханической структуры точностного д. д. от внешних факторов.
Задача второго педагогического эксперимента состояла в изучении возрастной динамики информационной и механической подструктур биомеханической структуры максимально быстрого точностного д. д.
Третий педагогический эксперимент был направлен на выявление особенностей формирования биомеханической структуры максимально быстрых точностных д. д.
В ходе четвёртого педагогического эксперимента определялись половые особенности биомеханической структуры максимально быстрых точностных двигательных действий.
Задачей пятого педагогического эксперимента являлось изучение влияния на биомеханическую структуру максимально быстрого точностного движения внешних сил различной природы.
Шестой педагогический эксперимент был направлен на выявление особенностей электрической активности мышц при реализации максимально быстрых точностных д. д.
Седьмой педагогический эксперимент проводился для определения особенностей влияния на биомеханическую структуру медленного точностного движения внешних сил различной природы.
Восьмой педагогический эксперимент решал задачу выявления особенностей регулирования афферентного потока информации при осуществлении точностных д. д. Электромиография
Электромиография - метод регистрации электрической активности мышц, широко применяется в научных биомеханических, физиологических, медицинских исследованиях. В представленной диссертации применялась с целью получения информации о поверхностных биоэлектрических потенциалах работающих мышц, имеющих наименее опосредованную связь с сущностью двигательного действия (Н.А. Бернштейн, 1947), его двигательной программой (И.М. Козлов, 1999).
Электромиографические исследования проводились в комплексе с регистрацией кинематических характеристик точностных движений с помощью авторского устройства 4 (глава 3) в лабораторных условиях.
В экспериментальной работе был использован четырёхка-нальный электромиограф типа MG 42 фирмы "Медикор" (Венгрия). Диапазон чувствительности блока усиления составлял от 40 мкВ до 20 мВ ± 5%. Частота фильтров для высших частот 50 Гц - 20 кГц (3 дБ ± 1 дБ), для низших частот 50 Гц - 0,45 Гц (3 дБ ± 1 дБ).
До начала каждого эксперимента и после его окончания производилась калибровка. Усиленный и фильтрованный сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступал в регистрирующую систему.
Система регистрации и обработки данных включает: 1) PC Pentium Celeron 300 мГц, 2) 32 канальный АЦП, 3) программу вода цифрового сигнала в PC1, 4) программу обработки сохранённой на магнитном носителе цифровой информации1.
АЦП L-780 (L-Card) имеет следующие данные: 1) число каналов - программируемые до 32, 2) разрядность - 14, 3) время преобразования - 2,5 10"6 с, 4) входное сопротивление каждого канала 5 мОм, 5) диапазон входных напряжений -+ 5 В.
Программа ввода цифрового сигнала обеспечивает: 1) программирование числа опрашиваемых каналов от 1 до 32, 2) программирование числа циклов (max 109), 3) задание имени файла хранения результатов.
Программа обработки цифровой информации обеспечивает графическое изображение и математическую обработку цифрового сигнала, поступающего по 5 каналам АЦП:
Требования к методикам изучения особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий
Для обоснования требований к методикам изучения особенностей биомеханической структуры точностных двигательных действий выделим её состав. Из определения, приведённого выше, и рис. 7, видно, что в состав структуры точностного двигательного действия входят: информационные (а) механизмы продуцирования двигательных задач; б) механизмы программирования; в) коррекции текущей и последующей - на основе анализа уже выполненного движения) и механические (биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата человека — мышцы и кости, соединённые посредством связок и суставов) элементы, которые, интегрируясь в систему, приводят к возникновению механического явления — движения, также имеющего свою структуру: кинематическую (что происходит) и динамическую (почему происходит).
Деятельность механизмов продуцирования точностных двигательных задач (которые в известном смысле и являются отражением противоречия между имеющимся и потребным положением в пространстве тела человека или его частей) в интактном организме зависит от внешних условий двигательной деятельности ("двигательного состава" (Н.А. Бернштейн,1947). Однако оценка её эффективности может быть произведена только относительно потребности индивида, следовательно, выходит за рамки исследования. Поэтому при изучении биомеханической структуры точностных д. д. целесообразно рассмотреть лишь возможные принципиальные различия внешних условий и соответствующие им типы двигательных задач.
Оценка же деятельности механизмов программирования является важнейшей частью изучения биомеханической структуры точностных двигательных действий и полностью входит в область исследования. В очень упрощённом виде программу движения можно представить в виде алгоритма, описывающего время подачи импульсов сокращения мышц и их силу. Прямое изучение программ двигательных действий при современном развитии науки не представляется возможным. Поэтому в основе изучения особенностей программ д. д., в том числе точностных, лежит изучение временной (L.H. Shaffer, 1982; М. Billon, A. Semjen, 1996; Г. Попов, 1998 и др.) и пространственной структуры движений (С. Евсеев, 1998; W.F. Helsen, D. Elliott, J.L. Starkes, K.L. Ricker, 1998 и др.), а также анализ электрической активности мышц во время движения (Р.С. Персон, 1965; Г.П. Лукирская, 1967; W.A. Lee, 1980; RJ. Cordo, L.M. Nashner, 1982; F. Towhidkhah, R.E. Gander, H.C. Wood, 1997 и др.).
В качестве критерия сложности выполняющихся двигательных программ и особенностей их реализации используется время простой и сложной двигательной реакции на слуховой, зрительный или тактильный раздражитель, подаваемый в различные фазы движения (S.T. Klapp, Е.Р. Wyatt, W.M. Lingo, 1974; M.R. Sheridan, 1981; И. Козлов, Н. Орлова, 1998; В. Sidaway, D. Yook, D. Russell, 1999). Так же принято оценивать возможность и специфику проявления процесса текущей коррекции. Считается, что испытуемый с большой вероятностью способен на оперативную активацию мышц, способствующих изменению направления движения, если он быстро реагирует элементарным движением на раздражитель. Нам представляется, что и пространственная точность движения может служить качественным критерием сложности реализации двигательных программ.
Здесь необходимо сделать принципиальное замечание. Как известно, центральное управление движением (включая текущую коррекцию) при времени движения меньше 0,20-0,15 с невозможно (J.H. Abbs, V.L. Gracco, K.J. Cole, 1984; H.A. Фомин, Ю.Н. Вавилов, 1991; D. Bullock, S. Grossberg, 1991; R.A. Abrams, J. Pratt, 1993). Поэтому кинематические характеристики движений, длящихся менее 0,20 — 0,15, с полнее отражают эффективность процесса программирования (если нет ярко выраженных и столь же скоротечных внешних помех). Это, а также тот факт, что филогенез человека шёл по пути предъявления к двигательному аппарату человека повышенных требований именно к точности и быстроте1 движений, делает подобные точностные движения не менее привлекательным объектом изучения особенностей программирования, чем движения медленные.
Содержание и границы фаз точностного движения
Здесь отметим, что основные сложности при определении кинематических параметров движений при помощи внешних устройств заключается, во-первых, в дискретности съёма параметров непрерывного движения при помощи кино- и видеосъёмки, стробоскопии, циклограмметрии и т.п.; во-вторых, в выборе точки, по изменению координат которой можно было бы вычислить или прямо измерить (при помощи соответствующих датчиков) основные кинематические характеристики движения. Эта вторая сложность связана с тем, что тело человека неоднородно, его движения, особенно быстрые, нельзя считать поступательными.
Рядом авторов приводятся величины возможных смещений датчиков, электродов, меток, укреплённых на различных частях тела относительно скелета. Так, например, И.М. Козловым (1984, 1999) показано, что при изменении позы тела возможна миграция маркеров относительно опорных точек скелета от 12,4 до 32,7 мм и даже до 70 мм.
Подобные величины смещений делают методы изучения кинематических параметров движений, использующие датчики и метки, крепящиеся к поверхности тела испытуемого, малоприменимыми при исследовании быстрых и максимально быстрых точностных движений.
Предлагаемые А.Ф. Бочаровым, Э.Т. Израйлитом, И.М. Козловым (1987) и А.В. Самсоновой (1997) для устранения влияния подобных миграций на точность определения кинематических параметров движений уравнения регрессии, основанные на рентгенографических исследованиях расхождений измеренных и истинных углов в суставах нижних конечностей, чрезмерно усложняют процедуру тестирования и не учитывают индивидуальных особенностей испытуемых.
Использование для определения кинематических параметров движений электрических гониометров, делающих возможным снятие данных с малой дискретностью по времени, во-первых, не лишено уже указанных недостатков, а во-вторых, обладает ещё одной трудноразрешимой особенностью, осложняющей их применение при регистрации кинематических параметров точностных движений. Особенно это относится к мануальным точностным движениям. Для определения координат точки реализации точности движения (по которым точность оценивается) необходимо установить гониометр на каждый сустав, начиная от первого неподвижного проксимального сустава. Но крепление гониометра на суставы пальцев приводит к затруднению выполнения движения вплоть до полного нарушения его структуры. Измерение же, скажем, угла перемещения в локтевом суставе с точностью в один градус (типичная точность измерения перемещения при помощи гониометра), даст на дис-тальном конце предплечья при его длине 27 см точность (ошибку): v = п Ra/ 180 = тс 27см 1 / 180 » 0,47 см, что также делает этот метод малоприменимым при определении параметров точностных движений.
В связи с этим принцип снятия кинематических показателей с точки реализации точности, воплощённый в предыдущих трёх устройствах (точки соприкосновения соответствующего плеча рычага и основания, щупа и основания, токосъёмника и высокоомной нити) был положен в качестве принципиальной основы при создании устройства, способного снимать показатели изменения координаты с малой дискретностью по времени.
Разработанное устройство (далее устройство 4 - прил. 19) состоит из основания 1 (рис. 15) и укреплённой на нём при помощи болтов 2 высокоомной нити 3, на которую подано напряжение порядка 0,1 В. Металлический щуп 4 имеет ручку, изготовленную из изоляционного материала, и соединён проводом с АЦП, измеряющим напряжение на нём. Для установки устройства в вертикальном положении имеется скоба 5, которая крепится к столу двумя струбцинами.
Программное обеспечение1 (окно программы обработки данных устройства приведено в прил. 20) позволяет измерять координату точки соприкосновения щупа и высокоомной нити. Расчётный модуль даёт возможность анализировать изменение координаты и её производных, выделять фазы движения в соответствии с алгоритмом, задаваемым пользователем, и имеет гибкую алгоритмическую структуру.
