Совершенствование двигательных возможностей человека посредством автоматизированных систем управления

2
СОДЕРЖАНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ....................................................8
ГЛОССАРИЙ.....................................................9
ВВЕДЕНИЕ.....................................................12
ГЛАВА I ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ............................................33
1.1. Управление в процессе физического воспитания............33
1.2. Адаптация к физическим и психоэмоциональным нагрузкам в
спорте.......................................................37
1.2.1. «Цена» адаптации к физическим нагрузкам...............37
1.2.2. Стресс-синдром Г. Селье в механизмах адаптации к спортивным нагрузкам....................................................39
1.2.3. Генетические детерминанты адаптации...................47
1.2.4. Функциональные резервы адаптации организма............59
1.2.5. Оптимальная физическая нагрузка и ее влияние на
организм человека............................................66
1.3. Теория автоматического управления.......................74
%
1.3.1. Принципы управления (регулирования) в теории автоматического управления...................................76
1.3.2. Типы систем автоматического управления по задачам
управления...................................................79 .
1.4. Системы адаптивного управления в робототехнике..........83
1.4.1. Уровни адаптации в робототехнике......................85
1.4.2. Структура адаптивных систем управления................87
1.4.3. Программное обеспечение систем управления адаптивными роботами и их функции........................................91
3
1.5. Метод автономного адаптивного управления, его свойства и приложения..........................................................95
1.5.1. Концепция подхода к «автономному адаптивному управлению»....97
1.5.2. Нейросетевая автономная адаптивная управляющая система......103
1.5.3. Метод автономного адаптивного управления и экспертные системы............................................................106
1.5.4. Автономное адаптивное управление в системе нечеткой логики.. 109
■
1.5.5. Практические приложения на основе систем автономного адаптивного управления.............................................110
1.6. Построения автоматизированных систем управления...............112
1.6.1. Автоматическое управление в технике.........................112
1.6.2 Общие принципы построения адаптивных систем управления 119
1.6.3. Совершенствование систем автоматического управления.........123
1.6.4. Некоторые трудности построения адаптивных АСУ сложными системами..........................................................129
1.7. Тренажеры и устройства в физической культуре с адаптивной системой управления и с заданным качеством.........................131
1.7.1. Компьютеризированные тренажеры и устройства в физической культуре и спорте..................................................131
1.7.2. Велокомпьютеры для занятий физической культурой и спортом.. 133
1.7.3. Кардиолидеры для занятий физической культурой и спортом.....134
1.7.4. Современные велосимуляторы..................................137
1.7.5. Гребной эргометрический комплекс с возможностями адаптивных роботов А.П. Ткачука....................................138
1.7.6 Адаптивные тренировочные устройства В.Е. Чурсинова...........141
1.7.7. Гимнастический тренажер адаптивного типа Э.В. Гостева.......144
4
1.7.8. Велотренажер адаптивного типа Б.С. Шмонина..........150
Заключение по главе........................................153
ГЛАВА II МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ .. 155
2.1. Методы исследования...................................155
2.2. Организация исследования..............................170
ГЛАВА III ТЕХНОЛОГИЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНОЙ НАГРУЗКИ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ЗАНЯТИЯХ С ДЕТЬМИ ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА..................................176
3.1. Применение и характер влияния компьютерных технических комплексов на решение задач повышения уровня физической подготовленности детей школьного возраста..................176
3.2. Создание искусственной управляющей игровой среды адаптивного управления для повышения двигательной активности
детей в структуре педагогического процесса.................178
3.3. Результаты влияния компьютерного игрового тренажерного комплекса адаптивного воздействия на физическую подготовленность детей школьного возраста...................................199
3.4. Изменение биомеханических характеристик движения при использовании компьютерного игрового тренажерного комплекса адаптивного воздействия во время педагогического исследования 204
Выводы по главе............................................210
ГЛАВА IV ОПТИМИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ У СТУДЕНТОВ, НЕ ЗАНИМАЮЩИХСЯ СПОРТОМ....................................................213
4.1. Результаты исследования методических возможностей машины
автоматизированного управления для циклических упражнений......213
4.2. Биомеханические показатели частоты вращения педалей на велоэргометрс в условиях автоматизированного управления и традиционных...................................................222
4.3. Результаты медико-биологического исследования и педагогического тестирования студентов до и после педагогического эксперимента...................................................225
Выводы по главе................................................235
ГЛАВА V АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРЕНИРОВКОЙ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ РАЗЛИЧНОЙ КВАЛИФИКАЦИИ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ............................................ 237
5.1. Конструктивные особенности и принцип работы машины автоматизированного управления для тренировки велосипедистов...237
5.2. Особенности изменения физиологических и биомеханических параметров у велосипедистов различной квалификации при тренировке
в условиях МАУТВ и в традиционных условиях.....................244
5.2.1. Динамика насыщения артериальной крови кислородом у велосипедистов различной квалификации в условиях непрерывного регулирования внешней нагрузки по ЧСС и в традиционных условиях тренировки.....................................................244
5.2.2. Динамика скорости движения велосипедистов различной квалификации при тренировке в условиях непрерывного регулирования внешней нагрузки по ЧСС и в традиционных условиях .247
5.2.2.1. Динамика ЧСС, скорости движения и расстояния, пройденного спортсменами высокого уровня мастерства, при тренировке в условиях непрерывного регулирования внешней нагрузки по ЧСС и в традиционных условиях......................247
6
5.2.2.2. Динамика скорости движения, ЧСС и пройденного расстояния у спортсменов среднего уровня мастерства в условиях непрерывного регулирования внешней наїрузки по ЧСС и в традиционных условиях тренировки................................249
5.2.2.3. Динамика скорости движения, ЧСС и пройденного расстояния у спортсменов низкого уровня мастерства при непрерывном регулировании внешней нагрузки по ЧСС и в традиционных условиях тренировки................................250
5.2.2.4. Средние значения ЧСС, скорости движения и пройденного расстояния у велосипедистов различного уровня мастерства при тренировке в условиях МЛУТВ и в традиционных условиях...........252
5.3. Эффективность применения авторской методики тренировки велосипедистов-шоссейников на МАУТВ в условиях непрерывного реіулирования внешней нагрузки по ответной реакции организма 254
Выводы по главе.................................................265
ГЛАВА VI ТЕХНОЛОГИЯ ТРЕНИРОВКИ СПОРТСМЕИОВ-АРМРЕСТЛЕРОВ ВЫСШЕЙ КВАЛИФИКАЦИИ В УСЛОВИЯХ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНОЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ...................................................267
6.1. Предпосылки создания безынерционного тренажера адаптивного управления для армспорта............................267
6.2. Конструкция безынерционного тренажера адаптивного управления для армспорта........................................269
6.3. Режимы сопротивления, создаваемые на безынерционном тренажере адаптивного управления для армспорта..................272
6.4. Принцип работы безынерционного тренажера адаптивного управления для армспорта........................................278
6.4.1. Общие принципы работы безынерционного тренажера
7
адаптивного управления для армспорта........................278
6.4.2. Механическая часть системы управления безынерционного тренажера адаптивного управления для армспорта..............281
6.4.3. Аппаратное обеспечение автоматизированной системы адаптивного управления......................................282
6.4.4. Методическое обеспечение автоматической системы адаптивного управления......................................285
6.4.5. Программное обеспечение автоматизированной системы управления..................................................287
6.5. Математическое обоснование расчета моментов сил на безынерционном тренажере адаптивного управления для армспорта
при различных режимах сопротивления.........................294
6.6. Методика тренировки армрестлеров высокого класса с применением адаптивной системы управления...................301
6.7. Результаты сравнительного педагогического эксперимента 303
Выводы по главе.............................................306
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................307
ВЫВОДЫ.....................................................311
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.................................З 1 7
ЛИТЕРАТУРА.................................................320
ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................384
СОКРАЩЕНИЯ
АСУ - автоматизированная система управления АЦП — аналого-цифровой преобразователь БД - база данных
БТАУ - безынерционный тренажер адаптивного управления КИТКАВ - компьютерный игровой тренажерный комплекс адаптивного воздействия
МАУТВ - машина автоматизированного управления для тренировки велосипедистов
МАУЦУ - машина автоматизированного управления для циклических упражнений
МОК - минутный объем крови
МУВ - машина управляющего воздействия
ОЛС - общий адаптационный синдром
ОЗУ - оперативно запоминающие устройство
ОС - операционная система
ОУ - объект управления
ОФП - общая физическая подготовка
ПК - персональный компьютер
ПУ - программа управления
САР - система автоматического регулирования
САУ - системы автоматического управления
ТАУ - теория автоматического управления
ЦНС - центральная нервная система
ЧСС - частота сердечных сокращений
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ЭМ11 - электромеханический привод
ЭС - экспертные системы
9
ГЛОССАРИЙ
В связи с тем что работа написана на стыке наук, приводим определения основных понятий теории автоматического управления.
• Автоматическое регулирование — поддержание постоянной (стабилизация) или меняющейся во времени по некоторому закону (слежение) величины, характеризующей объект управления.
• Автоматическое управление - это подача на объект управления совокупности воздействий с целью обеспечения оптимального, в определенном смысле, функционирования объекта. Совокупность воздействий выбирается из множества возможных.
• Адекватность модели - соответствие модели реальной системе. Достигается только с некоторой точностью.
• Анализ системы управления - изучение ее структуры, свойств и характеристик. Осуществляется на основе построения моделей системы управления.
• Возмущение - это воздействие (помеха), поступающее на объект управления и препятствующее его требуемому поведению.
• Двигательные возможности - это совокупность задатков, способностей, физических качеств, двигательных умений и навыков, а также состояние функциональных систем организма, обеспечивающих двигательную активность человека и характеризующих уровень его дееспособности.
• Задающая величина — величина, подаваемая на вход системы регулирования. Б соответствии с задающей величиной должна изменяться выходная, управляемая величина объекта управления.
• Контролируемая величина - величина, характеризующая объект управления и измеряемая в процессе управления им. Неконтролируемая величина не измеряется.
10
• Линейная система - это такая система, в которой сумме воздействий соответствует реакция, равная сумме реакций на каждое из них, а некоторому изменению воздействия соответствует пропорциональное изменение реакции, т.е. любая линейная система подчинятся принципу суперпозиции. Большинство систем и объектов при достаточно малых воздействиях можно считать линейными.
• ОС — обратная связь - связывает выход элемента или некоторой совокупности элементов с их входом.
• ООС - отрицательная обратная связь. Входной сигнал охватываемого ею звена получается вычитанием из входного воздействия выходного сигнала звена или его части. ООС может повысить стабильность системы регулирования.
• Объект управления — машина, механизм, устройство и т.п., способные воспринимать внешние воздействия и реагировать на них изменением некоторой величины, характеризующей объект, например температуры, напряжения, пространственной координаты и др.
• Параметр — численная величина, характеризующая систему или ее элемент, например коэффициент усиления, постоянная времени.
• Программное управление - осуществление воздействия на объект таким образом, чтобы характеризующая его величина изменялась во времени в соответствии с заранее известным законом (программой).
• НОС - положительная обратная связь. Входной сигнал охватываемого ею звена получается сложением с воздействием выходного сигнала этого звена или части выходного сигнала. В ТАУ, ПОС зачастую нежелательна, поскольку может привести к потере системой устойчивости.
• Регулирование — поддержание постоянной (стабилизация) или изменяющейся по некоторому закону (программное управление или слежение) величины, характеризующей объект управления.
• Система (в ТАУ) - совокупность элементов (звеньев), взаимодейст-
11
вующих между собой. Предназначена для выполнения функций управления техническим объектом, в частности регулирования: слежения и стабилизации. Главный элемент - объект управления. Важный элемент — регулятор.
• Слежение — поддержание с требуемой точностью управляемой выходной величины объекта управления пропорциональной задающей величине, подаваемой на САР. Пример: слежение оптической оси телескопа за спутником.
• Стабилизация:
1. Одна из задач регулирования. Поддержание некоторой постоянной величины, характеризующей объект управления, т.е. его управляемой величины, например температуры в печи.
2. Приведение неустойчивой САР в устойчивое состояние.
• Устойчивость системы - Способность системы возвращаться в исходное состояние по окончании воздействия. Устойчивая САР может выполнять задачи слежения и стабилизации лучше или хуже, в то время как неустойчивая САР просто вредна.
• Управляемая величина - величина, характеризующая объект управления и изменяющаяся под воздействием на объект управляющей величины.
• Управляющая величина - величина, поступающая на вход объекта управления. Под воздействием на объект управляющей величины изменяется его управляемая величина.
• Функциональная схема - блок-схема, состоящая из блоков, соответствующих функциональным, физическим элементам системы управления. Стрелки на схеме указывают направление передачи энергии.
12
Работа посвящена памяти моего первого учителя Ю/Г. Черкесова.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Процесс физического развития человека выражается в совершенствовании форм и функций организма, реализации его физических возможностей [58, 363].
Физическая культура и спорт призваны выполнять роль важнейшего фактора, обеспечивающего полноценную жизнь, раскрытие самых разнообразных задатков и способностей человека, достижение мастерства в любом виде профессиональной деятельности, так как оптимальная заданная физическая нагрузка развивает и поддерживает функциональные резервы организма, соответствующие хорошему состоянию здоровья [58, 113,366].
Однако, как отмечают многие ученые [24, 46, 104, 158, 255, 256, 262, 264, 310, 311, 341, 427, 454, 483, 523, 566, 569, 571, 596, 599, 600, 606, 607 и др.], определение оптимальной нагрузки по-прежнему остается одной из сложных проблем в теории и практике физической культуры и спорта. Необходимость такого подхода вызвана значительными индивидуальными и временными вариациями состояния спортсмена, в результате чего использование одинаковой тренировочной нагрузки может привести к различной ответной реакции организма, к разному тренировочному эффекту [ 185, 353, 449 и др.].
В видах спорта с преимущественным проявлением выносливости, где результат больше всего зависит от деятельности вегетативной системы, управление нагрузкой должно осуществляться по объективно установленным данным непрерывного проявления физиологических параметров по ходу движения. А средства, создающие управляющее воздействие (регулируемые сопротивления), должны работать на основе принципа прямой и обратной связи [483, 608].
Крупным шагом в развитии методов дозирования тренировочных
13
нагрузок стал метод программированного регулирования частоты сердечных сокращений. Привлечение методов автоматизации к решению проблемы индивидуального дозирования нагрузок оправдано тем, что именно на основе теории автоматического регулирования эта проблема может быть решена наиболее успешно. Практическая же реализация принципов теории регулирования тренировочных нагрузок требует применения специальных технических средств, оснащенных современными и универсальными электронными вычислителями для экспресс-анализа текущего состояния спортсмена [266, 598, 614 и др.].
О применении теории регулирования в спортивной тренировке говорилось еще в работе В.Б. Морозова и П.Н. Хломенка 1403, 404], предсказавших создание «самоуправляемого» тренажера. Согласно зарегистрированной несколько позже формуле изобретения В. М. Зациорского [1], цель которого состояла в предотвращении случаев перенапряжения сердца при спортивной тренировке, открылась возможность управления так называемым «срочным тренировочным эффектом».
Для повышения спортивного мастерства и получения оздоровительного воздействия при занятиях физическими упражнениями и спортом наиважнейшее значение имеют проблемы адаптации и оптимальности задаваемой физической нагрузки. Только оптимальная физическая нагрузка развивает и поддерживает функциональные резервы организма, способствующие дальнейшему стабильному росту спортивного мастерства.
Одним из физиологических показателей величины нагрузки является ответная реакция сердечно-сосудистой системы на нее, определяемая по частоте сердечных сокращений (ЧСС). Это обусловлено тем, что показатель ЧСС тесно связан с нейрогуморальными системами организма и является индикатором адаптивных реакций всего организхма [46, 49, 435 и др.]. У каждого занимающегося есть индивидуальная зона оптимальных значений ЧСС. Тренировки при ЧСС ниже этой зоны неэффективны, а при ЧСС, превышающей ее верхние значения, - опасны для здоровья. Сам за-
14
нимающийся не всегда может контролировать себя по ЧСС. Поэтому целесообразно в арсенале тренировочного оборудования иметь средство или комплекс средств, автоматически отслеживающих тренировочный процесс и поддерживающих оптимальное согласование внешней нагрузки и физического состояния спортсмена.
Основная сложность проблемы заключается в том, что оптимум необходимой физической нагрузки у каждого занимающегося сугубо индивидуален и подвержен постоянному изменению (иногда в очень широком диапазоне) — в зависимости от степени восстановления после предыдущего тренировочного воздействия, особенностей психоэмоционального состояния и т. д. Оптимальную величину нагрузки определяет все, что имеет место во взаимодействии организма с окружающей средой во всем ее многообразии. Поскольку степень воздействия всех факторов постоянно меняется, у каждого занимающегося индивидуально и адекватно должна меняться и нагрузка.
Другим важным показателем, по которому можно судить о величине физиологической нагрузки на организм занимающегося, является ответная реакция его опорно-двигательного аппарата (динамические и кинематические характеристики движения(й)). Поэтому для контроля и автоматизированного управления величиной нагрузки на опорно-двигательный аппарат занимающегося необходима опора на биомеханические критерии, определяющие их индивидуальную оптимальность [75, 204, 239, 337, 460, 464, 510, 602, 603 и др.].
Особо важна адекватность величины нагрузки в занятиях с детьми и подростками. Социально-политические процессы, произошедшие в нашей стране, изменения условий жизни человека (наличие аудио- и видеотехники, компьютеров, сотовой связи и др.), интенсификация его деятельности, слабая физическая подготовленность детей и подростков, снижение двигательной активности, все возрастающее воздействие на их организм неблагоприятных внешних факторов прямо или косвенно приводят к нега-
тивным функциональным изменениям в состоянии здоровья молодых россиян [64, 249].
В настоящее время происходит процесс критического осмысления многих теоретических и практических положений в области физического воспитания подрастающего поколения. Резкое ухудшение здоровья детей, отмечаемое многими авторами [286, 406, 618 и др.], связано именно со школой и является следствием существующей системы образования, сегодняшних стандартов обучения и воспитания [122, 319, 414 и др.].
Универсальным средством сохранения и укрепления здоровья является двигательная активность [347, 368, 549, 609 и др.]. Занятия физическими упражнениями оказывают положительное воздействие практически на все системы организма и являются весьма эффективным средством профилактики заболеваний. Однако дети школьного возраста самими условиями школьной жизни ограничены в удовлетворении естественной потребности двигаться столько, сколько нужно для нормального, гармоничного физического развития и здоровья [62, 618 и др.].
Анализ двигательной активности детей школьного возраста показал [62], что она составляет лишь 35-40 % возрастной потребности в движениях.
Детей и подростков в настоящее время увлекают компьютерные игры, интерес к которым постоянно возрастает. Данное обстоятельство явилось побудительным мотивом поиска таких условий участия в компьютерных играх, при которых игровые взаимодействия с программой могли бы осуществляться не через нажатие кнопок на клавиатуре и джойстике, а посредством выполнения различных двигательных действий на тренажерных устройствах, преобразующих движения в управляющие сигналы взаимодействия с компьютером [78, 146, 304, 442, 485, 490, 541, 605 и др.].
Однако применение современных автоматизированных систем управления (АСУ) тренировочным процессом не получило должного
16
уровня внедрения и недостаточно широко применяется в практике тренировки спортсменов высокой квалификации. В значительной степени это связано с неготовностью самих педагогов (тренеров) применять эти системы на практике, что объясняется недостатком специальных знаний, «недоверием» к современным компьютерным технологиям (а у некоторых их «боязнью»), надеждами, связанными с применением других методик (в том числе и на основе использования химических препаратов) и, конечно же, банальным недофинансированием. Отсутствие необходимого финансирования и низкий уровень заработной платы не позволяют привлечь к учебно-тренировочному процессу специалистов в области электроники и компьютерных технологий.
Широкое распространение современных компьютерных технологий и автоматизированных систем управления в последние годы способствует созданию автоматизированных обучающих систем (в том числе и с использованием адаптивного управления) не только в высокотсхнологических отраслях науки и современного производства, но и в педагогике (например, на базах научно-исследовательской лаборатории биомеханики института физической культуры и дзюдо Адыгейского государственного университета и научно-исследовательской лаборатории «Биотехника» кафедры научных основ физической культуры и спорта КБГУ и некоторых других), что позволяет создавать эффективные инновационные технологии обучения.
Таким образом, разработка технологии совершенствования двигательных возможностей занимающихся, основанная на применении искусственной управляющей среды, автоматически отслеживающей учебнотренировочный процесс и поддерживающей оптимальное согласование внешней нагрузки и морфофункционального состояния занимающегося, представляется весьма актуальной проблемой.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в настоящее время состояние проблемы разработки и внедрения АСУ в
17
управление физкультурно-спортивной деятельностью характеризуется наличием ряда противоречий, среди которых наиболее значимыми являются следующие.
• Между весьма высоким уровнем развития АСУ, их широким использованием в различных сферах жизнедеятельности современного общества, и пока еще недостаточным вниманием к их разработке и применению в управлении физкультурно-спортивной деятельностью.
• Между необходимостью использования широчайших возможностей, предоставляемых современными компьютерными технологиями в деле организации учебно-тренировочного процесса, и недостаточной разработанностью вопросов о цели, содержании, средствах, методах и формах воздействий, призванных обеспечить успешность овладения такими технологиями.
• Между объективной необходимостью высокого уровня компетентности специалистов физической культуры и спорта в области компьютерных технологий и АСУ и явной недостаточностью этого уровня, обусловленной субъективной недооценкой их роли и возможностей специалистами данного профиля в своей повседневной практической деятельности (начиная с управления нагрузкой в каждом конкретном занятии и до управления учебно-тренировочным процессом в целом).
Помимо изложенных аргументов необходимость модернизации системы управления учебно-тренировочным процессом на основе АСУ обусловлена:
• значительным повышением роли АСУ в современном обществе как фундаментальной основы, обеспечивающей его поступательное развитие;
• объективно существующим фактом увеличения роли компьютерных технологий и управленческих умений и навыков в любой профессиональной деятельности, без достаточного овладения которыми все другие профессионально значимые ее элементы оказываются недостаточно
18
эффективными;
• осознанием того, что использование АСУ, основанных на современных коммуникационных технологиях, представляет собой наиболее перспективное направление повышения результативности учебнотренировочной деятельности.
Осмысление представленных недостатков и противоречий может способствовать более правильному определению путей их преодоления, нахождению действенных способов совершенствования системы управления учебно-тренировочным процессом.
Научная проблема, решению которой посвящено настоящее исследование. вытекает из необходимости разрешения указанных противоречий и заключается в исследовании закономерностей, методологических и методических оснований и условий, являющихся необходимыми и достаточными для разработки современных автоматизированных (в том числе и адаптивных) систем управления тренировочными нагрузками, функционирующими на основе непрерывного учета показателей состояния основных морфофункциональных систем организма, получаемых по каналам обратной связи в условиях искусственной управляющей среды.
В процессе ее разработки основное внимание уделено таким вопросам, как:
• уточнение сущностных характеристик системы базовых понятий;
• разработка методологических оснований для решения проблемы внедрения АСУ в систему управления нагрузкой в процессе учебнотренировочных занятий различной направленности;
• исследование теоретических и методических основ наиболее целесообразного применения АСУ в учебно-тренировочном процессе с различной направленностью;
• разработка теоретических и методических оснований для осуществления активной и целенаправленной конструкторско-
19
изобретательской деятельности;
• обоснование важнейших теоретических и методических положений для осуществления практической конструкторско-изобретательской деятельности, а также соответствующих концептуальных построений;
• осуществление активной практической конструкторской деятельности, основанной на научной редукции основополагающих теорий (адаптации, деятельности, управления и др.), а также сформировавшихся в процессе исследования собственных представлений о наиболее эффективных способах конструкторских решений в создании систем автоматизированного управления физической нагрузкой.
Развиваемые в исследовании представления о роли и сущности АСУ в системе управления физическими нагрузками призваны содействовать оформлению весьма многочисленных, но разрозненных, порой дискуссионных материалов по этой проблеме в одну непротиворечивую систему взглядов.
Объект исследовании - современные автоматизированные системы управления учебно-тренировочным процессом в сфере физической культуры и спорта, их актуальные и потенциальные возможности в условиях создания искусственной управляющей среды.
Предмет исследования - теоретико-методологические аспекты разработки автоматизированных систем управления физической нагрузкой, биомеханические и педагогические условия и закономерности, обусловливающие высокую эффективность изобретательской, конструкторской и учебно-воспитательной деятельности по созданию и внедрению таких систем в учебно-тренировочный процесс с различной направленностью.
Цель исследования заключается в теоретико-методологическом обосновании биомеханических и педагогических условий, правил, закономерностей содержательного и процессуального обеспечения экспериментальной, изобретательской и конструкторской деятельности по созданию систем автоматизированного управления физической нагрузкой в условиях
20
искусственной управляющей среды, функционирующих на основе информации о динамике состояния организма, а также экспериментальной проверке эффективности таких систем в условиях реального учебно-тренировочного процесса.
Для этого в возрастном диапазоне представлены: дети, подростки, юноши, мужчины (до 30 лет). По уровню спортивного мастерства: не-спортсмены, спортсмены массовых разрядов, спортсмены среднего уровня мастерства, спортсмены высокого уровня мастерства, спортсмены высшего уровня мастерства.
Гипотеза исследования заключается в предположении о том, что перспективы повышения эффективности учебно-тренировочного процесса, достижение социально значимых результатов в физическом воспитании учащейся молодежи и наивысших показателей в спорте без риска для здоровья спортсменов возможны только при условии использования достижений в сфере современных компьютерных технологий, электроники и разработки на их основе тренажерных комплексов, обеспечивающих автоматизированное управление физической нагрузкой на основе непрерывного контроля за динамикой состояния основных морфофункциональных систем организма в условиях искусственной управляющей среды.
Реализации такой возможности может способствовать теоретикометодологическое, биомеханическое и экспериментальное обоснование систем автоматизированного управления физической нагрузкой в процессе физического воспитания учащейся молодежи и специализированной спортивной тренировки в различных видах спорта, основанных на получении и учете информации о динамике основных морфофункциональных систем организма занимающихся, поступающей по каналам обратной связи в условиях создания искусственной управляющей среды.
Задачи исследования:
1. Изучить и обобщить отечественный и зарубежный опыт в осуществлении попыток изобретательской и конструкторской деятельности, на-
21
правленных на решение проблем разработки автоматизированных систем управления физической нагрузкой в процессе решения задач физического воспитания и спорта высших достижений, дать биомеханическую и социально-педагогическую оценку состояния рассматриваемой проблемы.
2. Выявить причины и дать теоретико-логическое и биомеханическое обоснование недостаточной эффективности существующих традиционных систем управления физической нагрузкой в физическом воспитании учащейся молодежи и специализированном учебно-тренировочном процессе.
3. Исследовать понятийно-терминологические аспекты проблемы разработки и внедрения автоматизированных систем управления в теории и практике физкультурно-спортивной деятельности.
4. Исследовать генезис происхождения и развития различных идей, изобретательских и конструкторских подходов к решению проблемы автоматизации управления физической нагрузкой в сфере физического воспитания и спорта.
5. Разработать практические рекомендации по содержательному и процессуальному обеспечению изобретательского и конструкторского видов деятельности, направленных на создание современных систем автоматизированного управления физической нагрузкой в учебно-тренировочном процессе, на основе приоритетного внимания к реализации адаптивного управления.
6. Экспериментально апробировать и обосновать с биомеханических и педагогических позиций эффективность разработанных тренажерных устройств и систем автоматизированного управления физической нагрузкой в процессе физического воспитания учащейся молодежи и специализированной спортивной тренировки на основе результатов собственной изобретательской и конструкторской деятельности.
Методологическую базу исследования составили положения диалектической теории познания о всеобщей связи, взаимодействии и взаимо-
22
обусловленности явлений; концептуальном единстве, целостности научного знания; единстве теории и практики.
К основным методологическим положениям отнесены: о фундаментальные положения философии, педагогики, теории физического воспитания о взаимодействии человека и окружающей среды (Г.В. Гегель [150], В.Г. Афанасьев [42], В.В. Давыдов [180], Ю.К. Бабанский [44, 45 и др.], В.В. Краевский [328, 329, 330 и др.], А.Д. Новиков [422, 423 и др.], В.И. Столяров [531, 532, 533, 534, 535], Л.П. Матвеев [385 и др.], В.К. Бальсевич [51, 53, 55], H.H. Визитей [111,112, 113]);
о современные представления о функциональной системе (П.К. Анохин [31, 32]), о многоуровневом построении системы управления двигательными действиями (H.A. Бернштейн [66, 67, 68]), о доминирующей роли деятельности в становлении человека как личности (Б.Г. Ананьев [25, 26], Л.С. Выготский [139, 140J), о человеке как биосоциальном существе (П.П. Дубинин [201, 202], Б.А. Никиткж [418, 419, 420]), о системноструктурном подходе к познанию физических упражнений (Д.Д. Донской [191, 194], В.М. Зациорский [73], В.Б. Коренберг [323], В.Н. Курысь [351] и др.), связи физической и технической подготовки спортсменов (В.В. Кузнецов [339], В.Н. Платонов [452, 453], В.М. Дьячков [207, 516], Ю.В. Всрхошанский [101, 105, 106, 107] и др.), о механизмах управления движениями в спорте (B.C. Фарфель [564, 565, 567, 571], И.М. Козлов [310, 311, 314 и др.]).
Теоретической основой исследования послужили: о концептуальные положения теории информации и управления сложными динамическими системами (II. Винер [116J, У.Р. Эшби [631], A.B. Зинковский [274, 275, 276, 277]), к которым относится двигательная деятельность человека, а также теории оптимизации (Р. Розен [495], И.Ф. Образцов, М.А. Ханин [425]), имеющей основополагающее значение в трактовке закономерностей формирования биомеханической структуры движений;
23
о теории адаптации, раскрытые в трудах H.A. Бернштейна [67, 68], В.Е. Борилкевича [85], Ф.З. Меерсона [392, 393, 395], С.Е. Павлова [434], В.В. Петровского [448, 449], В.Н. Платонова [452], В.В. Парина, P.M. Баевского, А.П. Берсеневой [46, 48, 49, 326];
о теория и методика физического воспитания и спорта, а также ее частные направления, отраженные в работах В.К. Бальссвича [52, 57, 58], H.A. Бернштейна [66, 67, 68], Ю.В. Верхошанского [107, 109], И.М. Козлова [311], В.Б. Кореиберга [321, 324 и др.], Л.П. Матвеева [385, 388],
Н.Г Озолина [429, 426];
о положения об автоматизированном управлении тренировочным процессом, раскрытые в трудах В.М. Зациорского [257, 258,260,268 и др.];
о положения, представленные в работах И.П. Ратова об «искусственной управляющей среде» [483 и др.], Ю.Т. Черкесова о «возможностях обеспечения непрерывного регулируемого взаимодействия спортсмена и предметной среды» [604, 606, 608], Г.И. Попова об «использовании предметной среды» [460, 463 и др.].
Новизна исследования состоит:
В разработке содержательного и процессуального (биомеханического) обеспечения процесса внедрения в теорию и практику физического воспитания и спорта АСУ величиной физической нагрузки на основе использования обратной связи, информирующей о динамике состояния основных функциональных систем организма;
Работа является, по существу, первой попыткой системного подхода к проблеме разработки и ВЕ1едрения в практику физической культуры и спорта АСУ физической на1рузкой на основе информации о динамике состояния основных функциональных систем организма;
Осуществлен детальный содержательный анализ теоретических взглядов, изобретательских и конструкторских подходов к решению проблемы разработки и внедрения АСУ величиной физической нагрузки в процессе физкультурно-спортивной деятельности, позволивший система-
24
тизировать представления о современном состоянии данной проблемы в России;
На основе теоретико-логического анализа, целенаправленной изобретательской и конструкторской деятельности определены перспективные мути решения проблемы разработки и внедрения АСУ физической нагрузкой в процессе физического воспитания учащейся молодежи и специализированной спортивной тренировки, имеющих значение ключевых факторов в определении стратегии совершенствования учебно-тренировочной деятельности в области физической культуры и спорта на современном этапе.
Теоретическая значимость. Ыа теоретическом и экспериментальном уровнях определены контуры гуманистически ориентированной модели совершенствования системы физическою воспитания и специализированной спортивной тренировки, основанной на точном и непрерывном учете результатов индивидуального восприятия нагрузки и ответной реакции организма занимающихся на нее.
• Обоснована объективная необходимость повышения внимания к проблеме использования современных средств управления физической нагрузкой в системе физкультурно-спортивной деятельности. Дано теоретическое, биомеханическое и экспериментальное обоснование условий, конструктивных особенностей, программного обеспечения, благодаря которым внедрение АСУ в практику физкультурно-спортивной деятельности может реально представлять собой органическую, неотъемлемую часть системы общего физкультурного образования и специализированной спортивной тренировки.
• Сформированы теоретические и представлены экспериментальные основания для разработки оригинального направления в развитии изобретательской и конструкторской мысли, направленной не только на повышение результативности учебно-тренировочного процесса, но и позволяющей с оптимизмом оценивать перспективы ответа на уже довольно
25
давно поставленный и пока остающийся без ответа вопрос: «Как обезвредить спорт?».
Исследованные в работе аспекты имеют прогностическое значение, определяют ориентиры и создают условия для целенаправленной и эффективной работы по дальнейшему развитию изобретательской и конструкторской деятельности, способствующей более широкому и эффективному применению АСУ в физкультурно-спортивной практике, коренному реформированию системы управления ею как в содержательном, так и в процессуальном планах.
Прогностический потенциал проведенного исследования обусловлен принципиальной возможностью организации на его теоретической базе дальнейшей научно-исследовательской работы по экспериментальному изучению путей разработки и совершенствования систем автоматизиро- <• ванного управления физическими нагрузками в процессе учебнотренировочной деятельности на основе се 17манизации, повышения оздоровительного эффекта, создания более благоприятных условий для исключения повреждающего влияния повышенных физических нагрузок, неадекватных текущему состоянию функциональных систем организма зани- :-мающихся.
Практическая значимость исследования определяется тем, что содержащиеся в нем теоретические положения и выводы создают предпосылки научного обеспечения процесса разработки и внедрения АСУ в практику управления учебно-тренировочным процессом различной направленности, что обеспечит коренное преобразование содержания практической учебно-тренировочной деятельности и значительное повышение ее эффективности.
Содержащееся в работе теоретико-логическое решение проблемы, результаты исследования и обоснования семантической сущности системы основных понятий способствуют совершенствованию понятийно-терминологического аппарата теории и практики физического воспитания
26
и спортивной тренировки, могут служить повышению целенаправленности и качества исследовательской деятельности в этой сфере.
Выявленные в процессе экспериментальной работы биомеханические закономерности и сформулированные на их основе методические рекомендации, а также осуществленные исследовательские подходы к решению конструкторских задач и разработке программного обеспечения представляют собой базовую основу для дальнейшего успешного решения задач по разработке и внедрению в практику учебно-тренировочной деятельности АСУ.
В ходе исследования выявлена необходимость усовершенствования процесса подготовки и повышения квалификации преподавательских и тренерских кадров, включения в учебные планы переподготовки специалистов раздела по теории и практике разработки и внедрения средств АСУ в их повседневную профессиональную деятельность.
В работе показано, что модели организации учебно-тренировочной работы по физическому воспитанию учащейся молодежи и специализированной спортивной тренировке, основанные на использовании АСУ, в наибольшей мере отвечают задачам и требованиям современной практики физкультурно-спортивной деятельности.
Представленные в работе примеры практической изобретательской и конструкторской деятельности по разработке и внедрению средств АСУ в практику учебно-тренировочной деятельности способствует более точному определению конкретных задач, более правильному выбору наиболее эффективных средств, методов и форм организации учебно-тренировочной работы и на этой основе существенному повышению ее эффективности.
Представленные в работе результаты могут быть использованы в качестве основы в практической деятельности по совершенствованию системы физического воспитания и спортивной тренировки.
Теоретический и фактический материал диссертации может быть положен в основу учебных курсов, использован при создании учебников,
учебных пособий, научно-методических рекомендаций для учителей школ и тренеров, преподавателей вузов физкультурного профиля и системы повышения квалификации работников физической культуры, а также при разработке концепций развития физической культуры и спорта в России.
На защиту выносятся:
• Теоретическое, биомеханическое и экспериментальное обоснование конструктивных особенностей разработанных в процессе исследования тренажерных устройств, позволяющих осуществить решение проблемы автоматизированного управления параметрами физической нагрузки на основе информации об индивидуальных особенностях ответной реакции организма, поступающих по каналам обратной связи в условиях создания искусственной среды управляющего воздействия.
• Теоретическое и экспериментальное обоснование программного обеспечения, позволяющего решить задачу автоматизированного управления параметрами физической нагрузки на основе информации об особенностях ответной реакции организма, поступающих по каналам обратной связи в условиях создания искусственной среды управляющего воздействия.
• Совокупность концептуальных положений, обеспечивающих успешную разработку и внедрение в практику учебно-тренировочного процесса АСУ параметрами физической нагрузки, обеспечивающей сбалансированное воздействие на двигательный аппарат- и основные функциональные системы организма в зависимости от их текущего индивидуального состояния у каждого отдельного занимающегося.
• Система взглядов на сущность проблемы разработки и внедрения АСУ в практику учебно-тренировочного процесса в сфере физической культуры и спорта, предполагающая необходимость преодоления узости существующего понимания смысла и назначения таких систем в качестве лишь одного из вспомогательных средств повышения эффективности этого процесса и способствующая формированию представлений об этой про-
28
блеме как о наиболее перспективном и решающем факторе повышения результативности и безопасности воздействия повышенными физическими нагрузками на организм человека, более полное раскрытие на этой основе индивидуальных двигательных возможностей каждого занимающегося физическими упражнениями.
• Теоретико-методологический подход к решению проблемы внедрения в теорию и практику физкультурно-спортивной деятельности АСУ индивидуальными параметрами физической нагрузки, позволяющий представить существующие альтернативные точки зрения по данной проблеме не с позиций абсолютизации и противопоставления, а из диалектически организованного, взаимообусловленного и иерархически устроенного взаимоотношения, предполагающего необходимость решения как минимум трех взаимосвязанных аспектов проблемы: теоретикометодологического, конструкторского и материально-технического.
• Система взглядов, отражающих авторскую позицию по отношению к ряду утвердившихся положений в теории и практике разработки и внедрения АСУ индивидуальными параметрами физической нагрузки, среди которых основными являются следующие:
- главным условием, обеспечивающим рассмотрение таких систем в качестве основного фактора в достижении социально значимых результатов, повышение эффективности учебно-тренировочного процесса, является их направленность на решение задач этого процесса без ущерба для соблюдения стратегически важного в современном обществе принципа оздоровительной направленности занятий физическими упражнениями;
широко распространенные в практике физической культуры и спорта представления о конструкции адаптивных тренажеров являются ошибочными;
- успешное решение основных задач физического воспитания учащейся молодежи и специализированного учебно-тренировочного процесса без использования современных систем управления индивидуальными па-
29
раметрами физической нагрузки не представляется возможным.
Апробация и внедрение результатов работы. Исследование выполнялось в соответствии с координационным планом научных исследований Федерального агентства по образованию «Реабилитация здоровья студентов на основе ответной реакции организма», номер государственной регистрации 01.200.118257, а также в соответствии с направленностью деятельности научно-исследовательской лаборатории биомеханики Института физической культуры и дзюдо Адыгейского государственного университета начиная с 1995 года и до настоящего времени (темы: «Разработка машин управляющего воздействия и технологий их применения в области спорта», «Методические основы и апробация возможностей использования технологий управления бездискретного управляющего воздействия», «Изучение механизмов управления движениями») а также научно-исследовательской лаборатории «Биотехника» кафедры научных основ физической культуры и спорта КБГУ «Научные основы управления взаимодействием человека и внешней среды».
Основные теоретические положения диссертации использованы при разработке и издании монографии и учебно-методических пособий, используемых в практике преподавания физической культуры в Адыгее, Ставропольском и Краснодарском краях, Ингушетии, Северной Осетии, Карачаево-Черкесской и Кабардино-Балкарской республиках.
Фактический материал исследования нашел отражение в монографии, учебно-методических пособиях, а также в серии проблемных и обзорно-аналитических статей, опубликованных в центральной печати, в таких журналах, как: «Теория и практика физической культуры», «Физическое воспитание студентов», «Кубанский научный медицинский вестник».
Результаты изобретательской деятельности были представлены на выставках:
1. Всероссийский инновационный форум «ИННОВ-2005» - Новочеркасск, 2005 (где отмечен именным дипломом за инновационную на-
учно-техническую разработку «Машины адаптивного воздействия»).
2. Международная выставка «Интеллектуальные и адаптивные РОБОТЫ-2005» - Москва, Всероссийский выставочный центр - 2005 (где отмечен медалью лауреата ВВЦ за разработку и внедрение «Машин адаптивного управления»).
Защищены патентом и рационализаторскими предложениями: «Устройство для развития силы мышц» (патент 1Ш 2097083 С 1) [439];
«Устройство для тренировки велосипедиста» (патент 1Ш 2264246 С 1) [440];
«Устройство для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека» (решение о выдаче патента № 2006107063/12(007647) от 19.07.2007 г., приоритет от 06.03.2006 г.) [494].
Результаты исследований, сформулированные на их основе теоретические позиции и основные положения диссертации представлены на международных конференциях:
1. На международной научной конференции «Биомеханика и новые концепции физкультурного образования и системы спортивной подготовки» - Нальчик, 1999.
2. На международной научной конференции «Современные проблемы развития физической культуры и биомеханики спорта» - Майкоп, 1999.
3. На международной научно-практической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» -Пенза, 2001.
4. На международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы валеологии, воспитания учащихся в условиях новой концепции физкультурного образования». - Нальчик, 2002.
5. На II международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира» - Майкоп,
31
2002.
6. На III международной научно-практической конференции «Физическая культура в пространстве культуры Ставропольского края» -Ставрополь, 2003.
7. На международной научно-практической конференции «Культура здоровья, физическое воспитание и спорт в современной жизни» -Воронеж, 2004.
8. На V международной научной конференции студентов и молодых ученых «Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии», посвященной 100-летию Российского государственного медицинского университета, — Москва, 2006.
9. На I международной электронной научной конференции «Физическая культура, спорт, биомеханика» Института физической культуры и дзюдо Адыгейского государственного университета — Майкоп, 2006.
А также на конференциях федерального и регионального уровней:
1. На всероссийской научной конференции «Проблемы совершенствования системы физического воспитания» - Нальчик, 1995.
2. На I научной конференции аспирантов и соискателей АГУ -Майкоп, 1996.
3. На XXVII научной конференции студентов и молодых ученых вузов юга России - Краснодар, 2000.
4. На Всероссийской научно-практической конференции «Физическая культура и спорт на рубеже тысячелетия» - С.-Петербург, 2000.
5. На II научно-практической конференции с участием представителей областей, краев и республик юга России «Физическая культура, спорт и туризм юга России в 21-м столетии» - Ставрополь, 2001.
6. На III региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука — XXI веку» -Майкоп, 2002.
32
7. На II региональной научной конференции молодых ученых АТУ «Наука. Образование. Молодежь» - Майкоп, 2005.
8. Па межрегиональной научно-практической конференции «Здоровье и образование в XXI веке» - Майкоп, 2005;
9. На III Всероссийской научно-практической конференции «Дети России образованы и здоровы» — Москва, 2005.
10. На IV Всероссийской научно конференции «Физическая культура, спорт и туризм в контексте мира и дружбы» - Карачаевск, 2006.
11. На Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг качества здоровья в практике формирования безопасной здоровьесберегающей образовательной среды» - Славянск-на-Кубани, 2006.
Теоретические и практические результаты научных исследований апробированы в работе со сборными командами по армспорту Карачаево-Черкесской республики, в велошколе олимпийского резерва Кабардино-Балкарской республики, в Майкопском государственном технологическом университете, в гимназии № 22 г. Майкопа. Имеется 7 актов внедрения результатов научных исследований в практику учебно-тренировочной работы.
Часть работы выполнена при поддержке фонда «Университеты России» (грант УР: 10.01.060), гранта Российского фонда фундаментальных исследований (№: 03-01-96734) и международного фонда ISAR (грант RU_3N_5).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованной литературы, насчитывающего 672 наименование, в том числе 38 иностранных. Работа изложена на 407 страницах компьютерного набора текста, включает 96 рисунков, 14 таблиц, 23 страницы приложений.
33
ГЛАВА I
ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ
УПРАВЛЕНИЯ
1.1. Управление в процессе физического воспитания
В теории физического воспитания еще нет общепринятого определения понятия «управление». В большинстве случаев под управлением понимается перевод какого-то объекта или системы из одного состояния в другое. Перевод объекта в желаемое состояние осуществляется с помощью определенных воздействий [108, 159, 269, 606 и др.].
С позиций кибернетики объектами управления могут быть живые организмы (люди, животные, растения), социальные группы, машины. В зависимости от объекта и задач управления системы управления могут быть различными - от самых простых систем автоматического регулирования до сложных, содержащих десятки вычислительных машин, решающих задачи оптимального управления множеством объектов [630].
Управление любым процессом представляет собой управляемый, то есть закономерный процесс с заранее известными целями, постоянным сбором информации о наиболее важных контролируемых характеристиках, со сличением их значений с заданными и с внесением необходимых управляющих коррекций [92, 97, 109, 134, 262, 354, 387, 407, 453 и др.].
Кибернетика рассматривает систему как относительно замкнутую часть какой-либо среды. Эта внешняя среда увязана с данной системой входами, посредством которых она (среда) оказывает влияние на состояние системы, и выходами, с помощью которых система влияет на внешнюю среду. Таким образом, входы и выходы - это пути, по которым среда воздействует на систему, а система на среду, что обеспечивает их взаимодей-
34
ствие. С позиций кибернетики процесс тренировки можно рассматривать как сложную динамическую систему, так как основным объектом управления являются двигательные действия человека [42, 620]. Сложность структур и функций живых систем (человека) крайне затрудняет процесс управления как самими действиями, так и развитием этих систем, поскольку их элементы находятся под влиянием значительного числа воздействий. Управление такого вида системами требует знаний основных вероятностных закономерностей их функционирования [117].
Для характеристики состояния системы нет необходимости привлекать значения всех переменных величин, то есть всех изменяющихся элементов системы. В зависимости от цели исследования рассматривают только изменения существенных переменных, тогда как остальные представляют как несущественные переменные. Разделение переменных на существенные и несущественные имеет большое практическое значение. Чем тщательнее отобраны существенные переменные, тем реальнее можно выделить характеристику состояний системы и в итоге оказать на нее более эффективное воздействие [630].
Если одной из частей системы является человек, то она переходит в разряд очень сложных систем типа «человек-машина» [630]. Такими системами занимаются бионика, биотехника, биометрия. Биомеханические системы определяются как особый класс больших систем, представляющих собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления [30].
Управление - это целенаправленное воздействие на объект, выбранное из множества возможных воздействий на основании информации о состоянии внешней среды, объекта и программы управления. Управление необходимо для обеспечения требуемого функционирования системы и его направленного развития.
Поскольку частью системы типа «человек-машина» является человек, обычно его задача в составе системы состоит в совершенствовании
35
каких-либо двигательных действий. Следует отмстить, что управление двигательным аппаратом человеческого тела — задача многосложная, и даже в наиболее упрощенном подражании едва разрешимая для самой мощной техники [630]. Одна из трудностей состоит в том, что необходимо распределять внимание между десятками подвижных шарниров и сотнями видов подвижности и стройно согласовывать все их между собой. Еще более сложная задача заключается в преодолении избыточных степеней свободы наших органов движения, то есть превращение их в управляемую систему, а это не что иное, как координация [67].
Добиться необходимого двигательного действия от человека и, следовательно, от всей системы можно, многократно воздействуя на систему и корректируя ее реакцию на эти воздействия [117], то есть в данном случае можно сказать, что система обучается. Для человека обучением можно назвать процесс передачи и усвоения знаний, умений, навыков [30], в том числе и двигательных. Чтобы обучение было наиболее эффективным, необходим контроль за объектом обучения.
Признание кибернетических взглядов на управление движениями привело к тому, что представления об управлении движениями включили в себя понятие «обратная связь». На основании этого неоднократно обосновывались различные схемы организации управления движениями [30, 66, 569, 615 и др.].
У человека обратная связь при решении двигательных задач осуществляется через анализаторы. В позапрошлом веке английским ученым
Ч. Беллом было определено, что помимо двигательных нервов к мышцам подходят также чувствующие нервы. Таким образом было установлено значение афферентной иннервации как вида связи, несущей сообщения в центры о событиях, происходящих на периферии и необходимых для коррекции центробежных импульсов.
В дальнейшем усилиями российских ученых И.М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. А. Бернштейна, П. К. Анохина были расширены пред-
ставления о роли мышечно-суставного чувства при управлении движениями. Было определено, что двигательный аппарат - это управляемая система, а ЦНС — управляющая. Между этими системами существует двойная связь: прямая, осуществляемая по эфферентным нервным путям, и обратная, осуществляемая по афферентным нервным путям. Нервная система управляет движениями на основании сигналов, поступающих от рецепторов двигательного аппарата, а также от других органов чувств: зрения, слуха, вестибулярного аппарата, рецепторов кожи и внутренних органов.
По мере поступления информации необходимо сличать реальный ход движений с запланированным, то есть для каждого двигательного действия формировать программу должных ощущений и восприятий, или афферентную программу.
Управление обеспечивается системой связи, которая наряду с обратной связью включает воздействие по каналу прямой связи. Выделенные категории информации обратной связи: ситуационная, эмоционально-экспрессивная, личностная, коммуникативная - представляют собой те направления информационных потоков, по которым наиболее целесообразно распределять сведения о спортсмене и его действиях [451].
В спорте, где объектом обучения является спортсмен, а само обучение называется тренировкой, различают три вида контроля: этапный, текущий и экспресс-контроль [67, 271, 453 и др.]. Каждый вид контроля решает свои задачи.
Проведение этапного контроля позволяет оценить состояние спортсмена, полученное им в относительно продолжительный промежуток времени. Текущий контроль дает возможность оценить более быстротечные изменения состояния. С этой целью используются различные тесты, характеризующие физические качества и физиологическое состояние организма на данном этапе [271, 339, 453 и др.]. Оперативный контроль, или экспресс-контроль, — это оценка состояния, в котором находится спортсмен после выполнения упражнения. Одной из задач экспресс-контроля являет-
37
с я срочная оценка техники выполнения упражнений [589 и др.].
Сложность контроля, особенно при получении срочной оценки, заключается в том, что большинство тестов необходимо проводить вне традиционного процесса, с нарушением его естественного хода. Для решения этой задачи необходимо иметь быстродействующие технические средства, дающие возможность контролировать большое число параметров.
С учетом вышеизложенного поиск и внедрение новых подходов в решении задач, связанных с определением состояния спортсмена и его управлением, позволит более эффективно осуществлять процесс управления и обучения движениям.
При всей ценности дополнительной информации о движении, подаваемой тренером, в ней есть один существенный недостаток: ее субъективный характер [481]. Тренер, наблюдающий за движениями ученика, получает о них лишь ту информацию, которую ему может дать зрительное восприятие, а она касается качественной стороны движения, но не его количественных параметров. Какими бы знаниями ни обладал тренер, он может ошибиться в своих зрительных наблюдениях при определении, например, амплитуды движения, не может выразить эту амплитуду в точных единицах измерения пространства — сантиметрах, а тем более в миллиметрах или угловых градусах и минутах.
1.2. Адаптации к физическим и психоэмоциональным нагрузкам в
спорте
1.2.1. «Цена» адаптации к физическим нагрузкам
Достижение высоких спортивных результатов за счет чрезмерно высоких напряжений физических функций сопровождается серьезными расстройствами (высокой «ценой» адаптации).
Примером высокой «цены» адаптации к предельным физическим и
38
психоэмоциональным воздействиям, реализующейся на гормональном уровне, служит известное явление - нарушение полового созревания и менструального цикла у спортсменок высокой квалификации, специализирующихся в видах спорта, связанных с уменьшением содержания жира в организме, в частности у гимнасток высокого класса [657, 662, 666].
Значительное место среди проявлений «цены» адаптации занимают следствия односторонней адаптации у спортсменов или людей, занимающихся тяжелым физическим трудом. Так, у тяжелоатлетов, тренированных преимущественно к силовым нагрузкам с максимальным и около-максимаиьным напряжением, снижается выносливость к нагрузкам, требующим быстрых движений; утомление при таких нагрузках развивается даже быстрее, чем у нетренированных здоровых людей [11, 430, 668, 669].
Данный вариант адаптации является «ценой» структурного «следа», характерного для приспособления к силовым нагрузкам. Показано, что при такой адаптации (у штангистов, культуристов и др.) в противоположность таковой у людей и животных, тренированных преимущественно на выносливость, в скелетных мышцах, а возможно, и в сердце происходит в основном «наработка» сократительных белков без соответствующего увеличения синтеза белков митохондрий и адекватного роста васкуляризации мышечной ткани. В результате возникают выраженная гипертрофия, увеличение массы мышечной ткани и снижение удельной плотности в ней митохондрий [653, 668, 671] и капилляров [669]. Все это приводит к уменьшению снабжения мышечной ткани кислородом, снижению функциональной мощности системы митохондрий и в итоге — к увеличенной продукции лактата и как следствие - быстрой утомляемости при длительных нагрузках на выносливость [668].
Установлено: если в видах спорта, связанных с развитием выносливости, основная задача - активировать процессы энергообразования, то в тяжелой атлетике более важным является интенсификация синтеза белка, приводящая к мышечной гипертрофии [135]. При интенсивной и продол-