Совершенствование учебного процесса по курсу "биомеханика" на основе применения компьютерных технологий (стр. 1 из 2)
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.