Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные представления о влиянии средств физической культуры на функциональное состояние детей и подростков (обзор литературы) 14
1.1 Функциональное состояние и его регуляция на основе использования физических упражнений 14
1.2 Основные закономерности роста и развития детей в контексте проблемы оптимизации функционального состояния средствами физической культуры 31
1.3 Функциональное состояние детей и подростков в современных условиях обучения 43
1.4 Роль физических упражнений в профилактике и коррекции неблагоприятных изменений функционального состояния 56
1.5 Адаптация к мышечной деятельности и физиологические аспекты нормирования физических нагрузок в занятиях с оздоровительной направленностью 59
ГЛАВА 2 Методы изучения функционального состояния и организация исследования ". 80
2.1 Методы исследования 80
2.1.1 Физиологические методики 80
2.1.2 Психологические методики 85
2.1.3 Модели тестовых нагрузок, используемые при изучении функционального состояния в лабораторном эксперименте 87
2.1.4 Педагогические методики 88
2.1.5 Модели физических нагрузок для оптимизации функционального состояния в условиях естественных экспериментов 88
2.1.6 Методы математической статистики 93
2.2 Организация исследования 94
ГЛАВА 3 Особенности функционального состояния детей 5-14 лет при напряженной интеллектуальной деятельности 98
3. 1 Экспериментальное обоснование моделей тестовых информационных нагрузок для изучения функционального состояния детей 98
3.2 Факторная структура функционального состояния и информативные показатели его оценки 114
3.3 Факторная структура физической работоспособности в возрастном аспекте 120
3.4. Возрастные особенности функционального состояния, проявляющиеся в условиях напряженной интеллектуальной деятельности 124
3.5 Функциональное состояние детей при напряженной интеллектуальной деятельности в зависимости от индивидуально-типологических особенностей 147
3.5.1 Мотивация как фактор формирования функционального состояния детей при напряженной интеллектуальной деятельности 147
3.5.2 Физиологическая характеристика функционального состояния подростков на разных стадиях полового созревания в условиях информационной нагрузки 152
3.5.3 Физиологические показатели функционального состояния у детей 6-8 лет при информационной нагрузке в зависимости от тревожности как устойчивой индивидуальной характеристики 159
ГЛАВА 4 Функциональное состояние детей 5-14 лет с различной физической работоспособностью и нормирование нагрузок оздоровительной направленности 170
4.1 Функциональное состояние детей при напряженной интеллектуальной деятельности и физическая работоспособность 170
4.2 Влияние биоэнергетических факторов физической работоспособности на изменения функционального состояния 190
4.3 Экспериментальное обоснование физиологических критериев нормирования физических нагрузок оздоровительной направленности 198
ГЛАВА 5 Срочные эффекты влияния физических упражнений на функциональное состояние детей и подростков 213
ГЛАВА 6 Оптимизация функционального состояния детей 5-14 лет в процессе направленной физической подготовки .232
6.1 Сравнительная эффективность занятий с различной интенсивностью физической нагрузки 232
6.2 Сравнительная эффективность занятий с различным объемом нагрузки 249
6.3 Сравнительная эффективность занятий с различной периодичностью 264
6.4 Сравнительная эффективность занятий с различной величиной физической нагрузки 272
6.5 Сравнительная эффективность занятий физическими упражнениями преимущественно аэробной и анаэробной направленности 285
6.6. Оценка силы влияния параметров физической нагрузки на функциональное состояние детей и подростков 301
ГЛАВА 7 Оптимизация функционального состояния тревожных іпкольников 6-8 лет на основе комплексного использования физических упражнений и приемов регуляции психологического стресса 333
Выводы 345
Список литературы
- Функциональное состояние и его регуляция на основе использования физических упражнений
- Модели тестовых нагрузок, используемые при изучении функционального состояния в лабораторном эксперименте
- Факторная структура функционального состояния и информативные показатели его оценки
- Функциональное состояние детей при напряженной интеллектуальной деятельности и физическая работоспособность
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Изменения в содержании образования, обусловленные научно-техническим прогрессом, предъявляют повышенные требования к функциональному состоянию (ФС) учащихся, оказывают огромное влияние на их психическое, физическое и социальное благополучие [392; 111; 467; 546; 34; 59; 508]. Для современного обучения характерны увеличение объема информации, подлежащей усвоению, переход от традиционных способов ее передачи к использованию компьютерных средств и телекоммуникационных сетей глобального масштаба, загруженность учащихся учебными заданиями, уменьшение времени активного отдыха, повышение доли статической нагрузки и т.д. Сочетание данных факторов, особенно на фоне малоподвижного образа жизни, вызывает выраженный отрицательный эффект [343; 344; 9; 10; 138; 517; 467; 109]. В этих условиях снижаются эффективность и надежность деятельности [107; 204; 202; 47], возрастает риск развития донозологических состояний, а при определенном стечении обстоятельств и ряда заболеваний, названных «болезнями цивилизации» [23; 229; 121; 359; 87; 89; 197].
Успешность обучения зависит не только от уровня знаний, умений и навыков, но и в значительной степени от ФС детей [356; 353; 502; 101; 225; 84; 56].
Особую актуальность в связи с этим приобретает проблема профилактики неблагоприятных изменений ФС, обусловленных школьными факторами риска, к которым относят стрессовую тактику педагогических воздействий, чрезмерную интенсификацию учебного процесса, несоответствие методик и технологий обучения приспособительным возможностям учащихся, нерациональную организацию режима труда и отдыха, неудовлетворительное состояние внутришкольной среды [34]. По данным Института возрастной физиологии РАО, сегодня многие учебники, авторские методики и новые технологии разрабатываются без должного учета возрастных и функциональных возможностей детей и подростков. Комплекс школьных факторов риска негативно воздействует на развитие и здоровье учащихся. У многих детей, особенно в первые недели и месяцы обучения, возникают изменения в организме, которые позволяют говорить о «школьном стрессе», «школьном шоке», «школьной фобии», «адаптационной болезни» [123; 297; 517; 467; 59; 508]. В сфере учебной деятельности стрессовые состояния наряду с угрозой здоровью негативно влияют на эффективность обучения, снижают удовлетворенность учебой, способствуют возрастанию физиологической цены напряженной умственной работы и вызывают ряд других неблагоприятных социальных, психологических и экономических последствий [111; 289; 546; 34].
Среди новых направлений решения данной проблемы особое значение придается рациональному использованию различных средств физического воспитания. Не случайно сегодня в документах ВОЗ меры по повышению физической активности населения Европы признаются в качестве одного из самых экономически эффективных подходов общественного здравоохранения [108; 109]. При этом подчеркивается, что использование оптимальной физической активности является наиболее целесообразным в ранние годы жизни как для укрепления здоровья непосредственно в детском возрасте, так и на последующих этапах онтогенеза. Считается, что физическое, психическое и социальное благополучие в детском возрасте определяет состояние здоровья на протяжении всей жизни не только нынешних, но и следующих поколений.
Проблема оптимизации ФС организма на основе использования специальных программ занятий физическими упражнениями интенсивно разрабатывается во многих развитых странах мира. Однако обзорные работы, обобщающие результаты исследований, проведенных за последние 30 лет, затрагивают лишь частные аспекты проблемы повышения стрессоустойчивости взрослого человека [461; 406; 53; 446; 481; 411; 498; 490 и др.]. В большинстве имеющихся исследований задача направленного использования средств и методов физического воспитания в целях оптимизации ФС детей и подростков при психологическом стрессе и повышения устойчивости учащихся к действию неблагоприятных психосоциальных факторов специально не рассматривается. До настоящего времени комплексные исследования в данном направлении с участием здоровых детей и подростков не проводились.
Это определяет необходимость анализа эффективности влияния систематических занятий физическими упражнениями на ФС детей и подростков при напряженной интеллектуальной деятельности.
Цель исследования.
Целью работы явилось комплексное исследование влияния занятий физическими упражнениями на функциональное состояние детей 5-14 лет при напряженной интеллектуальной деятельности.
Задачи исследования:
1. Определить по данным многомерного статистического анализа факторную структуру ФС и информативные показатели для его оценки.
2. Изучить возрастные и индивидуальные особенности ФС детей, проявляющиеся в условиях напряженной интеллектуальной деятельности.
3. Выявить влияние биоэнергетических компонентов физической работоспособности на ФС детей при напряженной интеллектуальной деятельности.
4. Разработать комплексную оценку физической работоспособности и физиологически обоснованные способы нормирования физических нагрузок в занятиях по физическому воспитанию.
5. Оценить влияние величины, интенсивности, объема, направленности физической нагрузки и периодичности воздействия на ФС детей разного возраста.
6. Физиологически обосновать двигательные режимы, направленные на оптимизацию ФС детей при напряженной интеллектуальной деятельности и апробировать их эффективность при экспериментальном внедрении в практику физического воспитания детских дошкольных учреждений и общеобразовательных школ.
Связь работы с крупными научными программами (проектами), темами. Исследования, составившие основное содержание настоящей работы выполнялись согласно планам НИР Гродненского государственного университета имени Янки Купалы и Института возрастной физиологии РАО в период с 1988 по 2007 год.
В диссертацию включены результаты научно-исследовательских работ по темам «Оптимизация функционального состояния учащихся 8-14 лет в условиях нервно-эмоционального напряжения средствами физической культуры» (№ госрегистрации 19961188; 1998 г.) и «Оптимизация функционального состояния детей 6-8 лет средствами физической культуры» (№ госрегистрации 19993756; 1999-2001 гг.), выполняемым по заданию Министерства образования Республики Беларусь.
Работа выполнялась в соответствии с планом важнейших НИР НАН Республики Беларусь в области естественных наук на 1996-2000 гг. по теме «Оптимизация функционального состояния школьников на основе направленного использования средств физической культуры» в рамках Государственной программы фундаментальных исследований «Гомеостаз» и с планом важнейших НИР НАН Республики Беларусь в области естественных наук на 2001-2005 гг. по теме «Психофизиологические аспекты профилактики и коррекции неблагоприятных последствий эмоционального напряжения у подростков посредством систематических занятий физическими упражнениями» (№ госрегистрации 20013453) в рамках Государственной программы фундаментальных исследований «Регуляция и патогенез».
Теоретико-экспериментальные исследования, результаты которых отражены в диссертации, поддержаны в 2004-2006 гг. грантом Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований и Российского гуманитарного научного фонда в рамках совместных исследований с Институтом возрастной физиологии РАО (договор с БРФФИ № г/б Г04Р-012 от 03 мая 2004 г.; № госрегистрации 20044283). Все эти темы выполнялись на конкурсной основе под руководством автора.
Научная новизна исследования. В работе впервые в широком возрастном диапазоне проведено систематическое исследование влияния занятий физическими упражнениями на ФС детей при выполнении напряженной интеллектуальной деятельности.
Выявлена зависимость психофизиологических изменений ФС организма учащихся от уровня активации ЦНС по показателям вегетативного тонуса и вегетативной регуляции, личностной тревожности, уровня мотивации, темпов полового созревания при напряженной информационной нагрузке.
Получены новые данные о зависимости ФС детей при напряженной интеллектуальной деятельности от уровня развития аэробных, анаэробных гликолитических и анаэробных алактатных компонентов физической работоспособности, а также их взаимодействия.
Предложены принципиально новые способы дозирования физической нагрузки, основанные на анализе зависимости «доза-эффект». Разработана модель классификации физических упражнений, включающая характеристики и критерии, определяющие оздоровительный потенциал двигательной активности. Установлено, что одноразовые нагрузки могут быть использованы для поддержания уровня ФС в диапазоне оптимальной активации, обеспечивающей высокую эффективность интеллектуальной деятельности и положительные изменения эмоционального статуса.
Впервые физиологически обоснованы двигательные режимы, ориентированные на долговременную оптимизацию ФС при напряженной интеллектуальной деятельности и выявлены возрастные особенности формирования тренировочного эффекта. Установлена неоднозначность влияния идентичных по величине, средней интенсивности, объему и периодичности занятий программ преимущественно аэробной и анаэробной направленности на ФС детей разного возраста. Определены рациональные соотношения основных характеристик нагрузки для детей 5-6, 7-8, 9-10, 13-14 лет.
Установлена зависимость эффективности использования физических нагрузок различной метаболической направленности для оптимизации ФС детей и подростков в ходе онтогенеза от соотношения количественных и качественных изменений в деятельности физиологических систем организма. В периоды переломных скачков развития наиболее эффективны комплексы физических упражнений преимущественно анаэробного характера, тогда как в периоды постепенного морфофункцио-нального созревания организма - преимущественно аэробной направленности.
Показано, что комплексное применение физических упражнений и некоторых приемов регуляции ФС в занятиях с тревожными детьми 6-8 лет в долговременном аспекте обладает большей эффективностью, чем раздельное их использование. При избирательном воздействии наиболее выраженное влияние на ФС тревожных детей 6-8 лет в условиях напряженной информационной нагрузки оказывают физические упражнения. Применение других средств оптимизации ФС является менее эффективным.
Разработана и апробирована педагогическая технология направленного использования средств физического воспитания, обеспечивающая оптимизацию ФС детей и подростков при напряженной интеллектуальной деятельности.
Теоретическая значимость исследования заключается в создании научно обоснованной концепции оптимизации ФС учащихся при напряженной интеллектуальной деятельности средствами физического воспитания. Концепция базируется на учете объективных закономерностей развития, определяющих возрастные и индивидуальные особенности адаптации организма к различным по величине, интенсивности, объему и направленности физическим нагрузкам.
Полученные результаты значимы для решения важной научной проблемы -оптимизации неблагоприятного ФС организма человека, характеризующегося повышенным уровнем актуализации психофизиологических ресурсов. Они открывают перспективы для дальнейшего углубленного исследования влияния различных видов двигательной активности на ФС организма детей различного возраста.
Основные теоретико-методологические положения диссертационной работы могут быть положены в основу новой парадигмы физического совершенствования подрастающего поколения в современных условиях обучения, отличающихся повышенными эмоциональными и информационными нагрузками на фоне глобального снижения двигательной активности.
Научно-практическое значение работы определяется возможностью ис-пользования разработанной технологии оптимизации ФС учащихся в процессе реализации групповых и индивидуальных, урочных и внеурочных форм занятий по физическому воспитанию.
Предложенные методологические подходы предоставляют возможность с единой теоретической позиции решать практические задачи по улучшению адаптации учащихся к действию школьных факторов риска, профилактике и коррекции неблагоприятных изменений ФС в процессе обучения, повышению работоспособности и укреплению здоровья на основе использования средств физической культуры.
Разработанные и обоснованные в процессе исследования информационная проба, комплексная оценка физической работоспособности, классификации и способы нормирования физических нагрузок, программы оздоровительной тренировки, систематизация средств оптимизации ФС пригодны для широкого использования в практической деятельности специалистов в области физической культуры, психологов, социальных и медицинских работников учреждений образования.
Полученные данные могут найти применение при разработке мероприятий, направленных на повышение устойчивости учащихся к действию неблагоприятных психосоциальных факторов, управление процессами адаптации, снижение отрицательных последствий эмоционального и информационного стресса, разработку рационального режима труда и отдыха, внесение дополнений и изменений в программы физического воспитания, проведение профессиональной ориентации и отбора.
Ключевые положения диссертации положены в основу совершенствования учебного процесса факультета физической культуры ГрГУ им. Я. Купалы по специальности «Физическая культура». Разработанные теоретические положения, рекомендации и методики нашли применение при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по курсам «Физиология спорта», «Методические основы профилактики неблагоприятных ФС», «Физиологические основы трудовой деятельности и оздоровительной физической культуры», «Оздоровительные системы физической культуры», «Физическая культура в семье», «Основы научно-методической деятельности».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Основной направленностью изменений ФС целостного организма при реализации напряженной информационной нагрузки в период от 5-6 до 13-14 лет является снижение физиологической цены и повышение продуктивности интеллектуальной деятельности, совершенствование ее вегетативного обеспечения. Эта возрастная тенденция преобразований ФС, проявляющаяся в улучшении адаптации детей к интенсивной умственной работе, отражает более общую закономерность увеличения надежности живой системы в процессе онтогенеза.
2. Индивидуально дозированные физические нагрузки формируют срочные и долговременные адаптационные эффекты, обеспечивающие оптимизацию ФС детей при напряженной интеллектуальной деятельности. Основным механизмом положительного влияния физических нагрузок на функциональное состояние организма детей при напряженной интеллектуальной деятельности является направленное усиление неспецифических и специфических компонентов адаптации. Выраженность неспецифических компонентов долговременной адаптации определяется величиной нагрузки, а специфических - ее направленностью.
3. Адаптационные изменения, обусловленные физической нагрузкой, проявляются через призму возрастных закономерностей, определяющих процессы рос та и развития, и приспособительные возможности детей на каждом возрастном этапе.
Эффективность воздействия физических упражнений на ФС организма ребенка в условиях напряженных информационных нагрузок зависит от их соответствия качественным и количественным преобразованиям, происходящим в физиологических системах на различных этапах развития. Комплексы физических упражнений преимущественно анаэробного характера наиболее эффективны в возрастные периоды, связанные с качественными изменениями в деятельности физиологических систем, а преимущественно аэробной направленности - в периоды постепенного морфофункционального созревания организма.
4. Величина физической нагрузки, характеризующая суммарное влияние мышечной деятельности на организм человека, формируется за счет различных соотношений интенсивности и недельного объема упражнений, продолжительности и периодичности занятий.
Повышение эффективности физического воспитания в условиях напряженной интеллектуальной деятельности может быть достигнуто посредством использования физиологически обоснованных режимов двигательной активности, базирующихся на основе выбора адекватной величины и направленности нагрузки, рационального построения занятий, разработки соответствующих возрастным и индивидуальным особенностям детей программ оздоровительной тренировки.
Апробация результатов исследования. Основные положения, результаты и выводы диссертации доложены и опубликованы в материалах 40 научных Международных, Всесоюзных, Республиканских конференций, съездов, симпозиумов, конгрессов в период с 1989 по 2007 г., включая: Всесоюзные конференции «Проблемы нейрокибернетики» (Ростов-на-Дону, 1989), «Физиология развития» (Москва, 1990), «Физическое воспитание и школьная гигиена» (Москва, 1991); VIII, IX, X съезды Белорусского общества физиологов (Минск, 1991, 1996, 2001); III республиканский сьезд кардиологов Беларуси совместно с Ассоциацией кардиологов СНГ (Минск, 1994); IX съезд работников профилактической медицины Республики Беларусь (Минск 1996); Международную конференцию «Современные проблемы совершенствования системы физкультурного образования» (Кишинев, 1993); Международную конференцию «Роль физической культуры и спорта в оздоровлении молодёжи» (Смоленск, 1998); VIII, IX Международные конференции «Организация и методика учебного процесса, физкультурно-оздоровительной и спортивной работы» (Москва, 2004, 2006); Международный конгресс «Физическая культура, спорт, туризм в новых условиях развития стран СНГ» (Минск, 1999); Международную конференцию «Dziecko w srodowisku zagrozonym ekologicznie - profilaktyka і problemy zdrowotne» (Легница, 1999); Международный конгресс «Олимпийский спорт и спорт для всех» (Минск, 2001); Международный конгресс «Modern Olympic Sport and Sport for All» (Варшава, 2002), II Международную конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва, 2003); Международный конгресс «Swiatowy kongres polonii medyczne» (Катовице, 2003); Международную конференцию «Физиология развития человека» (Москва, 2004), Международный симпозиум «Физическая культура и спорт в системе образования. Здоровьесберегающие технологии и формирование здоровья» (Гродно, 2005); Международную конференцию «Sport Kinetics 2005 - Scientific Fundaments of Human Movement and Sport Practice» (Римини, 2005); Международный конгресс «Current issues and new ideas in sport science» (Каунас, 2006); Международную конференцию «Scientific management of high performance athletes training» (Вильнюс, 2006).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 475 страницах и состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, библиографического указателя и приложений. В списке использованных источников содержится 554 названия, из них 405 на русском языке и 148 на иностранных языках. Работа иллюстрирована 59 таблицами и 89 рисунками.
Функциональное состояние и его регуляция на основе использования физических упражнений
В последние годы в связи с повышением интереса к вопросам адаптации проблема регуляции функционального состояния (ФС) центральной нервной системы (ЦНС) приобретает все большее не только теоретическое, но и практическое значение. Вместе с тем следует отметить, что понятие «функциональное состояние», широко распространенное в физиологии, медицине, психологии, физической культуре до настоящего времени не имеет однозначно четкого определения. В первую очередь это связано с наличием различных подходов к его изучению. Сегодня исследования функциональных состояний человека ведутся на различных уровнях: от аналитического изучения отдельной клетки и ее элементов до анализа состояния целостного организма на основе интегральных физиологических и психологических показателей [102; 134; 226]. В зависимости от уровня рассмотрения, а также исходя из специфических задач разные авторы вкладывают в понятие «функциональное состояние» различный смысл [227; 318; 125; 352; 100; 101; 13; 86; 354; 355; 47; 177]. В самой общей трактовке понятие ФС рассматривается как как фон, на котором реализуются деятельность и поведение [318].
Термин «функциональное состояние» обычно применяется для характеристики определенным образом организованных, относительно устойчивых на том или ином отрезке времени взаимоотношений элементов систем любой степени сложности и динамического взаимодействия этих систем со средой. Являясь результатом активного взаимодействия человека с внешней средой, ФС представляет собой системную реакцию организма, выражающуюся в виде интегрального динамического комплекса наличных характеристик тех функций и качеств индивида, которые прямо или косвенно обеспечивают достижение цели деятельности [226; 227]. В связи с тем, что идея интеграции, целостности функционирования доминирует в содержании понятия «функциональное состояние», анализ жизнедеятельности организма в самых разных условиях проводится именно с этих позиций.
Стремление исследователей к конкретизации и детализации данного термина привело к выделению двух основных подходов при изучении этой проблемы. В рамках первого подхода ФС определяется через комплекс взаимосвязанных психофизиологических показателей, а его изменения оцениваются как смена одного комплекса (паттерна) реакции другим [318; 100; 101; 32; 47].
Второй подход базируется на анализе зависимости продуктивности деятельности от психофизиологических изменений в организме и выделяет эффективность труда в качестве наиболее интегрального критерия ФС. При рассмотрении различных определений понятия «функциональное состояние» видно, что в большинстве случаев оно раскрывается через деятельность и поведение. Это связано с тем, что любое ФС является результатом включения мозга в конкретную деятельность, в ходе которой оно активно трансформируется, обусловливая успешность реализации этой деятельности. Считается, что судить об изменении состояния можно лишь тогда, когда определенный тип динамики физиологических показателей соотносится с количественными и качественными изменениями результатов деятельности [227; 204; 202]. Последние оцениваются рядом объективных показателей. К ним относятся эффективность и продуктивность деятельности.
Продуктивность деятельности характеризуется на основании количественного и качественного соответствия результата содержанию решаемой задачи и оценивается числом правильных ответов, точностью и скоростью выполнения [102]. Однако одни и те же показатели продуктивности могут быть достигнуты за счет различных энергетических затрат организма, разной степени мобилизации физиологических функций. В связи с этим вводится понятие эффективности [40], которое отражает не только результаты деятельности, но и энергетические затраты, необходимые для ее выполнения. Эффективность деятельности тем больше, чем выше ее продуктивность и меньше энергетические затраты. Следует отметить, что эффективность и продуктивность деятельности, являясь внешними показателями, лишь косвенно отражают изменения ФС и не раскрывают физиологических механизмов, находящихся в основе этих изменений [102]. Вместе с тем считается, что такой подход позволяет решать конкретные задачи, связанные с повышением продуктивности деятельности и оптимизацией ФС. Эффективность как основной критерий оценки изменений ФС отражает наиболее выраженные, очевидные его сдвиги, тогда как трансформация, ухудшение ФС начинаются задолго до того момента, как будет отмечено падение результативности. Именно поэтому сторонники данного подхода предлагают при определении понятия «эффективность» не ограничиваться внешними проявлениями деятельности, выражающимися в показателях производительности труда, качества и скорости работы, числа ошибок, сбоев и т.д., и настаивают на учете физиологических затрат организма при реализации адаптивного поведения [204].
В общей структуре ФС выделяют 3 вида характеристик, обеспечивающих формирование 3 основных его подструктур. Это уровневость, субъективность-объективность, степень обобщенности [73]. ФС как объект диагностики и прогнозирования рассматривается в качестве многоуровневой иерархической системы. К высшему уровню относится субъективный компонент, отражающий личностное отношение человека к самому себе и окружающему миру. На втором и третьем уровнях соответственно располагаются интеллектуальный и сенсомоторный компоненты, характеризующие наличный уровень способностей индивида к деятельности. Четвертый уровень иерархии занимает физиологический компонент, характеризующий резервы организма и цену предстоящей деятельности [13].
Внешние условия деятельности подразделяются на психологические и физиологические составляющие. Влияние психологических составляющих на ФС опосредуется механизмами оценки личностной значимости информации, вследствие чего они имеют преимущественно информационную природу и характеризуются такими показателями, как содержание информации, ее объем, темп поступления и т.д. Влияние физиологических составляющих на ФС, связанное с механизмами регуляции гомеостаза организма, включает в себя физические, химические и биологические компоненты условий деятельности. Воздействие внешних факторов преломляется через внутреннее условие, которое на психологическом уровне характеризуется прошлым опытом, мотивами, отношениями, особенностями личности и т.д., а на физиологическом- индивидуальными биологическими особенностями организма. Взаимодействие внешних и внутренних психологических составляющих деятельности формирует оценку личностной значимости ситуации и связанную с этой оценкой генерализованную активацию ЦНС [281].
ФС представляет собой психофизиологическое явление со своими закономерностями, заложенными в архитектуре особой функциональной системы [101]. С точки зрения физиологического содержания понятия ФС, важным моментом является его интегральный характер, отражающийся во взаимодействии организма со средой как единого целого [204; 227; 47]. ФС организуется как система, включающая множество элементарных структур и процессов, при этом как интегральная характеристика она отражает новые свойства, присущие данной системе как целому, не тождественные сумме свойств отдельных элементов. В соответствии с теорией функциональной системы П.К. Анохина [7; 6] центральным пунктом, ради которого происходят изменения состояний системы, является полезный результат. Структурные образования, составляющие функциональную систему, обладают исключительной мобилизуемостью.
Модели тестовых нагрузок, используемые при изучении функционального состояния в лабораторном эксперименте
В процессе исследования для изучения ФС центральной нервной системы (ЦНС) проводили регистрацию омега-потенциала, оценку количественных и качественных показателей умственной работоспособности по корректурным таблицам, расчет параметров распределения времени простой слухо-моторной реакции.
Регистрация омега-потенциала (ОП), характеризующего ФС ЦНС [264; 134], осуществлялась на основе использования цифрового микровольтметра, усилителя постоянного тока с большим входным сопротивлением и сухих слабо поляризующихся электродов фирмы «Хеллиге».
Активный электрод располагался на середине лба испытуемого, индифферентный контактировал с тенором левой руки. В течение 2-5 мин после наложения электродов ОП снижался, а затем стабилизировался на определённом уровне. Стабилизированные значения ОП рассматривались в качестве величины, характеризующей состояние спокойного бодрствования. Омега-потенциал регистрировали в покое и при выполнении тестовых нагрузок.
Для определения умственной работоспособности применялась методика дозирования работы во времени с помощью буквенных корректурных таблиц Анфи-мова в модификации Института возрастной физиологии РАО [236]. Оценка каждого выполненного задания производилась по объёму работы (количество просмотренных знаков «А») и продуктивности (коэффициент продуктивности «Q»). Детям предлагалось в течение двух минут, просматривая слева напараво строчки корректурной таблицы, вычеркивать какие-либо две буквы - условные раздражители и подчеркивать их сочетания с заранее определенными буквами - тормозными агентами. Использовались задания, в которых с одинаковой вероятностью встречаются условные раздражители и их сочетания с тормозными агентами.
Расчет критериев общего ФС (ОФС) мозга осуществляли по времени простой слухо-моторной реакции с помощью ЭВМ. Время реакции определяли с точностью до 0,001 с на основе использования прибора ИПР-01, предназначенного для измерения одинарных и последовательных реакций. В качестве стимула использовался звук частотой 1000 Гц интенсивностью 80 дБ над уровнем 0,0002 бара. Испытуемые находились в положении сидя, при этом большой палец правой руки всё время находился на реактивной кнопке. Инструкция испытуемым содержала требования как можно быстрее отвечать нажатием кнопки в ответ на раздражитель. Затем выполнялось несколько пробных попыток, по которым корректировались ответные действия обследуемых, проводилось 50-300 измерений времени простой слухо-моторной реакции. Звуковые сигналы подавались с интервалом 4-6 с. Проводилось 50-300 измерений времени простой слухо-моторной реакции, на основании которых строилась гистограмма его распределения. По результам ее анализа определялись следующие показатели ОФС: функциональный уровень системы (ФУС); устойчивость реакции (УР); уровень функциональных возможностей (УФВ) [125; 238]. Указанные параметры рассчитывались по формулам: где Тмод - значение середины модального класса; Рмакс - максимальная вероятность, соответствующая границам модального класса; Т0 5- диапазон времени реакции на уровне 0,5 Рмакс; Т0,5 - значение времён реакций, соответствующее середине диапазона Т0;5 Показатель ФУС характеризует величину неспецифических тонических влияний. Чем он больше, тем выше уровень функционирования ЦНС. Величина УР отражает устойчивость функционального состояния ЦНС. Чем больше УР, тем меньше рассеивание времени реакции. УФВ характеризует способность мозга формировать адекватную заданию функциональную систему и поддерживать ее в течение длительного времени.
Наряду с методиками, позволяющими непосредственно изучать ФС ЦНС, регистрировали вегетативные показатели, отражающие неспецифические изменения ФС организма: артериальное давление крови; частоту сердечных сокращений; ритм сердца; частоту дыхания.
Запись сердечного ритма проводилась на одноканальном электрокардиографе ЭК1Т-07 «Аксион», с дополнительной возможностью подключения к персональному компьютеру. Электроды фиксировались на левой стороне груди в отведении по Небу. Регистрация сердечного ритма осуществлялась в течение 3 мин в состоянии покоя, а также при выполнении тестовых нагрузок. В занятиях по физическому воспитанию с целью определения интенсивности физической нагрузки ритм сердца регистрировали с помощью кардиоанализатора фирмы «Pollar».
Для оценки напряженности регуляторных систем использовали вариационный анализ сердечного ритма, основывающийся на концепции P.M. Баевского [23; 24] о существовании двухконтурной системы управления сердечным ритмом. Согласно этой концепции, характеристики кривой распределения динамических рядов R-R интервалов находятся в зависимости от автономного и центрального уровней регуляции и их взаимодействия.
Для построения вариационной пульсограммы анализировали 100 R-R интервалов в состоянии покоя и при выполнении тестирующей нагрузки в стационарном состоянии. Определялись: мода (Мо) - наиболее вероятное значение величины R-R интервала (в секундах) (середина ряда гистограммы, имеющего максимальную частоту); амплитуда моды (АМо) - вероятность моды в процентах к общему числу интервалов; вариационный размах (АХ) - разность между самым коротким и самым длинным интервалами в массиве (в секундах); среднеквадратическое отклонение R-R интервала (aRR); индекс напряжения (ИН), вычисляемый по формуле:
Факторная структура функционального состояния и информативные показатели его оценки
Для выявления ведущих факторов, характеризующих структуру взаимосвязей различных показателей ФС детей и подростков 5-14 лет, применялся факторный анализ - метод главных компонент - с последующим вращением референтных осей по Варимакс-критерию. В исследовании приняли участие 500 практически здоровых учащихся (5-6 лет- 108; 7-8 лет- ПО; 9-10 лет-91; 11-12 лет- 85; 13-14 лет-106 человек). Обработка данных осуществлялась на ЭВМ с использованием стандартной программы в пакете Statistica. Факторная обработка проводилась по результатам ранговой корреляции 76 показателей ФС (см. разд. 2.1). Для получения воспроизводимых результатов факторного анализа нами использовались выборки испытуемых по объёму, значительно превышающие количество изучаемых переменных. Число значимых факторов оценивалось на основании проверки гипотезы Н0, о том, что выбранное число факторов равно истинному их числу. Наряду с формальными, использовались также эвристические критерии: 1) рассматривались только те факторы, дисперсия которых больше единицы; 2) суммарная дисперсия учитывала не менее 50-60 % общей дисперсии признаков; 3) последующий незначимый фактор увеличивал суммарную дисперсию не более чем на 5 %. Значимыми считались нагрузки показателя на фактор от 0,3 и выше [375].
Использование факторного корреляционного анализа позволило наметить в структуре ФС несколько общих относительно независимых факторов, характеризующих основные аспекты психофизиологического статуса детей и подростков 5-14 лет. По данным, полученным в результате статистической обработки переменных, отражающих разные стороны ФС детей 5-6, 7-8, 9-10, 11-12 и 13-14 лет, определены шесть ортогональных факторов, вклад которых в общую дисперсию выборки превышал 50-60 % в каждой возрастной группе [177].
В процессе исследования идентифицированы «генеральные» факторы, определяющие ФС: «эффективность-цена умственной работы» (вклад фактора в общую дисперсию выборки у детей рассматриваемых возрастных групп находился в диапазоне от 9 до 34 %); «вегетативная регуляция ФС» (16-20 %); «гемодинамическое обеспечение умственной работы» (8-11 %); «физическая работоспособность» (5-9 %); «неспецифическая устойчивость к простудным заболеваниям» (5-6 %) (рисунки 3.3, 3.4). Факторные нагрузки, отражающие степень корреляции перечисленных ниже показателей ФС с выделенными факторами, несмотря на их возрастную изменчивость, характеризовались преимущественно сильной (г=0,99-0,7) и иногда средней (г=0,69-05) степенью тесноты взаимосвязи (приложение таблицы А1—А5).
Основу внутренней структуры фактора вегетативной регуляции во всех возрастных группах детей и подростков составляют его тесные положительные и отрицательные связи с переменными ДП, ЧСС, М, Мо, ИН, АМо, АХ, ВИК, ИМ, ОП, полученными в состоянии спокойного бодрствования и при реализации информационной нагрузки с комфортной и максимальной скоростью.
Фактор физиологической цены интеллектуальной деятельности независимо от возраста обследуемых включал в свой состав все или почти все показатели эффективности работы с оптимальной и максимальной скоростью - А/ЧСС, А/ДП, А/ИН, Q/4CC, Q/ДП, Q/ИН, а также параметры умственной работоспособности А и Q.
С фактором гемодинамического обеспечения интеллектуальной деятельности в рамках рассматриваемого возрастного диапазона наиболее сильно коррелировали величины САД, СД, ДД, ДП, зарегистрированные в покое и при напряженных тестовых нагрузках.
Фактор физической работоспособности объединял функциональные (PWC170, ВтП, МІЖ, ИНПД) и эргометрические показатели (tl5 1 , коэффициенты «а» и «Ь», W240, W900), характеризующие приспособительные возможности детей в различных зонах мощности и критерии физической подготовленности, отражающие развитие двигательных способностей (челночный бег 4x9 м, прыжок в длину, бег 20 м, бег 6 минут, становая динамометрия, общий балл подготовленности).
Фактор неспецифической устойчивости к простудным заболеваниям у детей и подростков всех обследуемых возрастных групп объединял, как правило, только показатели текущей заболеваемости. Высокие отрицательные факторные нагрузки в нём имели показатели: количество дней, пропущенных по болезни, количество заболеваний, показатель средней продолжительности одного случая заболевания.
Особый интерес представляют данные о том, что в структуре ФС выделен независимый фактор «эффективность-цена» умственной нагрузки, отражающий оптимальность приспособления к требованиям и условиям реализации интеллектуальной деятельности, особенности функционирования и взаимодействия включенных в нее систем, скорость расходования физиологических ресурсов. В рассматриваемом контексте понятия «цена» и «эффективность» представляют собой контрарные по значению термины, определяющие ФС с противоположных сторон: чем выше эффективность, тем ниже цена, и наоборот. «Физиологическая цена» информационной нагрузки характеризует затраты физиологических ресурсов организма на прием, хранение и переработку информации, программирование регуляцию и контроль интеллектуальной деятельности. Ее эффективность — характеризуется объемом переработанной информации, соотнесенным с сопутствующими физиологическими затратами.
Полученные данные указывают на то, что с возрастом происходит перераспределение роли отдельных факторов в структуре ФС (см. рисунки 3.3, 3.4). Изменяется также и состав факторов, определяющих ФС в различные возрастные периоды. В 5-6, 11-12 и 13-14 лет многокомпонентным аспектом ФС оказалась вегетативная регуляция. В эти возрастные периоды выделись два относительно независимых фактора симпатической и парасимпатической регуляции. Кроме того, в 5-6 лет выявлено отсутствие фактора физической работоспособности. Большинство показателей, характеризующих физическое состояние, объединились при этом в общий фактор с параметрами умственной работоспособности. Аналогичный фактор представлен также в структуре ФС детей 7-8 и 9-Ю лет наряду с физической работоспособностью. Исходя из экспериментальных данных, можно предположить, что существует единый универсальный механизм, определяющий результативность и интеллектуальной, и мышечной деятельности. В 11-12 и 13-14 лет в качестве независимого аспекта ФС выделена только физическая работоспособность. Вместе с тем результаты сопоставления факторных структур анализируемых показателей ФС детей и подростков 5-14 лет дают основание утверждать, что имеются стабильные группы взаимосвязанных переменных, отражающие, вероятно, существование устойчивых факторов, вносящих значимый вклад в формирование ФС на различных этапах восходящего онтогенеза. Содержательная интерпретация результатов исследования свидетельствует о том, что во всех обследуемых группах выделено несколько общих факторов, отражающих фундаментальные характеристики ФС. Вместе с тем следует подчеркнуть, что вклад этих факторов в обобщенную дисперсию выборки существенно меняется в различные периоды онтогенеза вследствие частичного несовпадения включенных в их состав переменных и различий в факторных нагрузках, приходящихся на долю одних и тех же показателей внутри фактора. Подобные изменения в структуре корреляционных связей параметров ФС, по-видимому, с одной стороны, обусловлены закономерностями онтогенетического развития, а с другой - степенью адекватности внешних воздействий функциональным возможностям организма в этот возрастной период.
Функциональное состояние детей при напряженной интеллектуальной деятельности и физическая работоспособность
Известно, что знание индивидуальных особенностей человека на всех уровнях его природной организации является непременным условием эффективного воспитания и обучения [232; 303; 254; 101; 266]. Одной из наиболее значимых сфер индивидуально-типологических различий между людьми являются различия в физической работоспособности и подготовленности. Они в значительной степени определяют успешность адаптации человека к воздействию на него неблагоприятных природных и социальных факторов. Существуют исследования, результаты которых свидетельствуют о том, что отмечаемые при психологическом стрессе психофизиологические изменения ФС во многом зависят от уровня ФР и подготовленности. Показано, что субъекты с высокой физической работоспособностью оказываются более устойчивыми к выраженному нервно-психическому напряжению [397; 461; 53; 489; 484; 177; 89]. При этом необходимо отметить, что в публикациях, посвященных анализу влияния физической подготовленности на изменения ФС при психологическом стрессе, в основном описываются различия, обусловленные аэробными возможностями [473; 533; 537; 511; 548; 409], тогда как сведения об индивидуальных особенностях психофизиологической реактивности лиц, отличающихся уровнем работоспособности в режиме анаэробного и смешанного аэробно-анаэробного энергообеспечения, весьма малочисленны и противоречивы [509; 492].
Следует заметить, что возрастной аспект рассматриваемой проблемы является наименее изученным. В значительной мере это связано с тем, что отдельные этапы онтогенеза отличаются особенностями взаимодействия биологического и социального рядов развития человека. В связи с этим можно предположить, что на различных этапах индивидуального развития показатели аэробной и анаэробной производительности организма детей и подростков в разной степени определяют специфику психофизиологических изменений ФС в условиях напряженной информационной нагрузки.
Для поиска ответа на поставленный вопрос нами было проведено исследование, направленное на изучение особенностей ФС детей и подростков 5-14 лет при напряженной умственной деятельности в зависимости от ФР в зоне умеренной, большой, субмаксимальной и максимальной мощности.
Изучение особенностей ФС учащихся 5-14 лет в условиях напряженной информационной нагрузки с учетом уровня физической работоспообности проводили на основе использования 20 тестов, описанных в главе 2. Применение этих тестов позволило распределить испытуемых изучаемых возрастных групп по уровню каждого показателя на 3 функциональных класса: низкий ( М-0,67), средний (М±0,67) и высокий ( М+0,67). У детей и подростков с высоким и низким уровнями ФР проводился анализ различий ФС в условиях спокойного бодрствования, при тестовой информационной нагрузке и в динамике учебной недели. В разных возрастных группах сопоставлялись от 90 до 140 показателей ФС.
В ходе исследования обнаружены психофизиологические отличия между испытуемыми, подразделенными на группы на основе использования комплекса показателей физического состояния. Установлено, что у детей и подростков 5-6, 7-8, 9-Ю, 11-12 и 13-14 лет индивидуальный уровень активированности в состоянии оперативного покоя, психологические и физиологические изменения ФС в условиях психической напряженности, их направленность и степень выраженности во многом определяются физической работоспособностью и подготовленностью (таблицы 4.1, 4.2). Наибольшее количество статистически значимых межгрупповых различий выявлено при сопоставлении детей с различными уровнями показателей, характеризующих работоспособность в зонах умеренной и большой мощности. Дети и подростки всех возрастных групп с высоким уровнем аэробных возможностей характеризуются высокой умственной работоспособностью и низкой психофизиологической ценой напряженной интеллектуальной деятельности. Для обследуемых 7-8, 9-10, 11-12, 13-14 лет с высокой физической работоспособностью в зоне умеренной и большой мощности в целом характерны низкая личностная тревожность и высокая физиологическая устойчивость к стрессу. Кроме того, школьники 9-Ю, 11-12 и 13-14 лет с высоким уровнем развития аэробных возможностей демонстрируют тенденцию проявления более высокой умственной работоспособности и сохранения позитивного эмоционального состояния в динамике учебного дня. Наиболее часто встречаемые отличия (р 0,05-0,001) между испытуемыми с высоким и низким уровнями аэробных возможностей во всех рассматриваемых возрастных группах обнаружены в отношении ЧСС, М, Мо, СД, ДП, А/ЧСС, А/ДП, Q/ЧСС. Максимальное количество межгрупповых различий выявлено у школьников 7-8 лет, минимальное- у детей 5-6 и 9-Ю лет. Следует отметить, что в наибольшей степени эти психофизиологические различия (р 0,05-0,001) проявились в отношении показателей аэробной мощности.
Несколько меньшей дифференцирующей способностью обладают критерии аэробной емкости (р 0,05-0,001). Самые контрастные различия по параметрам ФС обнаруживаются при подразделении испытуемых на группы по величине МІЖ, PWC170, tj, коэффициента b уравнения Muller (см. таблицы 4.1).
В зависимости от функциональных возможностей, проявляемых в зоне субмаксимальной мощности, удалось установить, что тренированные дети и подростки 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14 лет в большинстве случаев характеризовались (р 0,05-0,001) высокой умственной работоспособностью и сниженной физиологической ценой напряженной информационной нагрузки и активированностью по некоторым вегетативным показателям (см. таблицу 4.2). Установлено также, что оптимальная эффективность реализации напряженной информационной нагрузки обеспечивалась главным образом за счет более высокой скорости и качества умственной работы.
В целом следует отметить, что степень эффективности вегетативного обеспечения напряженной информационной нагрузки у детей и подростков обследуемых возрастных групп, отличающихся высокой анаэробной гликолитической работоспособностью, значительно ниже, чем у испытуемых с высокими аэробными возможностями, а цена деятельности выше. Удалось установить, что повышенной дифференцирующей способностью в отношении рассматриваемых аспектов ФС обладают такие показатели анаэробной гликолитической работоспособности, как t2 и W40. При этом межгрупповые различия касались, прежде всего, A, Q, М, Мо, СД, А/ЧСС, А/ДП, Q/ЧСС. Максимальное количество межгрупповых различий выявлено у школьников 7-8 лет, а минимальное - у детей 5-6 и 9-10 лет.
Дети и подростки 7-8, 9-10, 11-12 и 13-14 лет, дифференцируемые на группы, на основе использования показателей, отражающих работоспособность в зоне субмаксимальной мощности (см. таблицу 4.2), как правило, отличались и степенью проявления личностной тревожности (р 0,05-0,001). Показано, что подростки 13-14 лет с выраженной способностью к выполнению физической работы анаэробной гликолитической направленности характеризуются позитивными изменениями субъективной оценки состояния в динамике учебной недели (р 0,05-0,001).
