Компьютерное тестирование знаний о технике спортивных упражнений в имитационном моделировании движений человека на ПЭВМ Текст научной статьи по специальности «Науки о здоровье»

КОМПЬЮТЕРНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ЗНАНИЙ О ТЕХНИКЕ СПОРТИВНЫХ УПРАЖНЕНИЙ В ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИЙ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА НА ПЭВМ

Могилёвский государственный университет, Республика Белорусь

Введение. По данным ЮНЕСКО [1] использование традиционных методов обучения обеспечивает 20-процентный уровень овладения изучаемым материалом. В настоящее время для создания представления о технике спортивных упражнений в основном используются такие традиционные методы, как рассказ, объяснение, показ упражнения. Активные методы обучения позволяют повысить уровень овладения изучаемым материалом до 40 % (по данным ЮНЕСКО). В связи с этим возникает вопрос о возможности и эффективности использования средств компьютерной техники в учебно-тренировочном процессе по конструированию пользователем рациональной техники спортивных упражнений методом эвристического поиска на ПЭВМ.

ЦЕЛЬ исследования - на основе компьютерного тестирования выявить первоначальное представление занимающихся о технике выполнения спортивных упражнений и определить уровень обучаемости испытуемых по рационализации техники двигательного действия методом эвристического поиска на ПЭВМ.

СРЕДСТВА - компьютерная программа тестирования знаний о технике спортивных упражнений.

МЕТОД - эвристический поиск оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на основе имитационного моделирования движения человека на ПЭВМ.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - спортсмены различной квалификации и профессиональной ориентации - студенты дневного и заочного отделений факультета физического воспитания МГУ им. А.А. Кулешова, гимнасты СДЮШОР № 6 г. Могилёва.

ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ -педагогические аспекты формирования представления занимающихся спортом о рациональной технике спортивных упражнений.

МОДЕЛИРУЕМОЕ УПРАЖНЕНИЕ - большой оборот назад на перекладине.

Большой оборот назад на перекладине был избран в качестве моделируемого упражнения исходя из той посылки, что техника его выполнения, хотя бы на уровне зрительного представления, доступна всем испытуемым независимо от возраста, двигательной подготовленности и профессиональной деятельности испытуемых.

Критерием, по которому оценивалось качество выполнения упражнения, являлся угол поворота общего центра масс (ОЦМ) моделируемой биомеханической системы от начала и до момента окончания процесса моделирования. Ставилась педагогическая задача: подобрать такое программное управление движением, которое бы доставляло максимум функционалу (угол поворота ОЦМ биомеханической системы) в момент окончания процесса движения.

Биомеханические условия задачи синтеза движения с заданным качеством выполнения упражнения заключались в следующем.

Рассматривалось движение трехзвенной модели в условиях опоры, совершающей вращательное движение относительно грифа перекладины. Для начального момента времени / = 0 исходным положением звеньев тела являлось вертикальное положение звеньев тела спортсмена под грифом перекладины. т.е. ©1 - <!>: ~ <р: =270°. Начальная угловая скорость звеньев тела ф, =ф2 =ф, = б рад/с. Заданные ограничения на равенство скоростей звеньев модели для начального момента времени усилены и равенством их угловых ускорений ф/, положенных равными нулю.

Программное управление формировалось в виде изменения суставных углов на траектории биосистемы, где О] - угол в плечевых суставах, £/,- угол в тазобедренных суставах. При заданном начальном положении и наложенных ограничениях на скорости и ускорения звеньев моделируемой системы управляющая функция и ее первая и вторая производные по времени в канальный момент времени полагались равными нулю, что обеспечивало равенство угловых скоростей и ускорений звеньев модели.

На кинематику управляющих функций накладывались ограничения: 0 < V- < 45е. О < V- < 45“. Иными словами, в любой момент времени, на всей траектории биосистемы амплитуда егибательно-разгл-бательных движений спортсмена в суставах не должна превышать 45 е.

На динамические ресурсы системы также были наложены ограничения в виде реализации максимальных и минимальных значений управляющих моментов мышечных сил в суставах спортсмена. Минимальные значения управляющих моментов сил в шарнирах модели равнялись -12 кГм, т.е. М,= -12 кГм (плечевые суставы), Щ--12 кГм (тазобедренные суставы). И, соответственно, максимальные значения управляющих моментов сил в шарнирах модели равнялись 12 кГм, т.е. М,= 12 кГм. А/,= 12 кГм. Во всех моделируемых ситуациях момент силы трения Мх = 0 кГм, что обеспечивало независимость решения двигательной задачи от переменчивых условий изменения величины силы трения как одного из факторов, влияющих на трансформацию траектории биомеханической системы.

Еще одно из требований, наложенных на требуемые свойства и заданные качества техники моделируемого упражнения, заключалось в необходимости принятия выпрямленного положения тела в конечный момент времени, т.е. звенья тела спортсмена должны быть расположены на одной прямой.

Время моделируемого процесса составляло 0.64 с, дискретизация модели по времени - 0.08 с. Шаг интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих движение биомеханической си-

стемы, равный 0.08 с, обеспечивал требуемую устойчивость вычислительного эксперимента и необходимую точность вычислений. В качестве математической модели синтеза движений человека в условиях опоры использовались уравнения движения в форме уравнений Лагранжа второго рода.

Перед испытуемыми ставилась двигательная задача: синтезировать в вычислительном эксперименте на ПЭВМ вторую половину большого оборота назад на перекладине таким образом, чтобы в конечный момент времени поворот ОЦМ биомеханической системы, относительно исходного положения, был максимальным. Первичное представление испытуемых о рациональной технике упражнения определялось по результатам синтеза упражнения в первой попытке.

Методика выявления эффективности применения средств компьютерной техники с целью создания представления о технике спортивных упражнений заключалась в следующем. На первом этапе проведенного исследования синтезировалась оптимальная техника спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ методом глобально-локаль-ных вариаций в пространстве управлений [2].

В качестве моделкр>емого упражнения рассматривался большой оборот назад ва перекладине. Критерием, но котором) оценивалось качество выполнения упражнения, являлся угол поворота общего центра масс моделируемой биомеханьческой системы от начала и до .момента окончания процесса моделирования. Для начального момента времени исходным положением звеньев тела являлось вертикальное положение тела спортсмена под грифом перекладины, угловая скорость звеньев тела составляла 6 рад/с. Время движения составляло 0.64 с. Шаг интегрирования системы дифференциальных уравнений. описывающих движение биомеханической системы, равный 0.08 с, обеспечивал требуемую устойчивость вычислительного эксперимента и необходимую точность вычислений. В качестве математической модели синтеза движений человека в условиях опоры использовались уравнения движения в форме уравнений Лагранжа второго рода. Кинематические ограничения на амплитуду сгибательных движений в плечевых и тазобедренных суставах составляли 45°. На динамические ресурсы биосистемы были наложены ограничения: в плечевых суставах - ±120 Нм, в тазобедренных суставах - ±120 Нм.

На втором этапе исследования испытуемые конструировали технику моделируемого упражнения методом эвристического поиска на ПЭВМ. Программное управление формировалось в виде изменения суставных углов на траектории биосистемы. В эксперименте принимали \ частие студенты дневного и заочного отделений факультета физического воспитания МГУ им. А. А. Кулешова, гимнасты СДЮШОР № б г. Могилёва в количестве 96 человек. Перед ис-

пьггуемыми ставилась двигательная задача: синтезировать в вычислительном эксперименте на ПЭВМ вторую половину большого оборота назад на перекладине таким образом, чтобы в конечный момент времени поворот ОЦМ биомеханической системы, относительно исходного положения, был максимальным.

Результат. При отсутствии управляющих движений в суставах спортсмена (движение выпрямленным телом) биомеханическая система совершает поворот на 148°, что и принималось за исходный уровень качества выполнения упражнения.

Перед испытуемыми ставилась двигательная задача: синтезировать в вычислительном эксперименте на ПЭВМ вторую половину большого оборота назад на перекладине таким образом, чтобы в конечный момент времени поворот ОЦМ биомеханической системы, относительно исходного положения, был максимальным. Первичное представление испытуемых о рациональной технике упражнения определялось по результатам синтеза упражнения в первой попытке.

Статистический анализ результатов синтеза моделируемого упражнения показывает, что различие первичного представления о технике упражнения статистически достоверно между студентами дневного отделений и гимнастами ДЮСШ (табл. 1). Объяснить этот факт можно тем обстоятельством, что гимнасты ДЮСШ, имеющие спортивный разряд не менее 1-го и овладевшие техникой выполнения упражнения, имеют больше знаний о его рациональном выполнении.

В дальнейшем, по мере улучшения представления о технике синтезируемого упражнения на основе эвристического синтеза моделируемого движения, грань между знаниями всех трех групп испытуемых о рациональной технике большого оборота назад на перекладине постепенно стирается. По результатам синтеза движения, наилучшего для каждого из испытуемых, различий между группами не отмечается (табл. 1).

Статистический анализ результатов синтеза моделируемого упражнения показывает, что различие первичного представления о технике упражнения статистически достоверно между студентами дневного отделения и гимнастами ДЮСШ (табл. 1). Объяснить этот факт можно тем обстоятельством, что гимнасты ДЮСШ, имеющие спортивный разряд не менее 1-го и овладевшие техникой выполнения упражнения, имеют больше знаний о его рациональном выполнении.

В дальнейшем, по мере улучшения представления о технике синтезируемого упражнения на основе эвристического синтеза моделируемого движения, грань между знаниями всех трех групп испытуемых о рациональной технике большого оборота назад на перекладине постепенно стирается. По результатам синтеза движения, наилучшего для каждого из испытуемых, различий между группами не отмечается. Следовательно, процесс улучшения показателей испытаний связан с обучаемостью испытуемых на основе эвристического построения рациональной техники исследуемого упражнения в вычислительном эксперименте на ПЭВМ. Наилучший показатель отмечается у студентов дневного отделения: 42.28 % идеального выполнения, синтезированного ПЭВМ (табл. 2).

Этот факт, по-видимому, можно объяснить тем, что студенты в процессе обучения получили больший багаж знаний, чем студенты заочного отделения, а гимнасты ДЮСШ еще не овладели необходимым уровнем аналитико-синтетического мышления.

Результаты выполненного исследования свидетельствуют о возможности использования ПЭВМ как инструмента самообучения и познания биомеханических закономерностей технических действий спортсменов, а также использования программной системы в качестве инструмента тестирования занимающихся с целью определения уровня знаний пользователя о технике спортивных упражнений.

Таблица 1

Первичное представление испытуемых о технике синтезируемого упражнения

Статистический показатель Увеличение угла поворота ОЦМ биомеханической системы относительно исходного уровня, град t - критерий Стьюдента, Р - уровень значимости

Дневники (группа 1) Заочники (группа 2) ДЮСШ (группа 3) Все испытуемые

X 2.75 6.98 12.51 5.12 Сравниваются группы 1 и 2 1 = 1.95, Р > 0.05 Группы 1 и 2 статистически однородны

С, 8.25 11.62 11.34 10.25 Сравниваются группы 1 и 3 1 = 2.05, Р< 0.05 Группы 1 и 3 статистически неоднородны

±т 1.17 1.84 4.63 1.05 Сравниваются группы 2 и 3 1 = 1.11, Р >' 0.05 Группы 2 и 3 статистически однородны

1 2.36 3.80 2.70 4.98

Таблица 2.

Представление испытуемых о технике синтезируемого упражнения по наилучшему результату

Статистический показатель Увеличение угла поворота ОЦМ биомеханической системы относительно исходного уровш!, град 1- критерий Стьюдента, Р - уровень значимости

Дневники (группа 1} Заочники (группа 2) ДЮСШ (гру ппа 3)

X 42.28 38.71 40.79 Сравниваются группы 1 и 2 1 = 1.45, Р> 0.05 Группы 1 и2 статистически однородны

в 14.22 8.94 4.06 Сравниваются группы 1 и 3 1 = 0.39, Р> 0.05 Группы 1 иЗ статистически однородны

±т 2.01 1.41 1.66 Сравниваются группы 2 и 3 1 = 0.95, Р> 0.05 Группы 2 и 3 статистически однородны

Лучшая попытка в достижении максимального результата

Таблица 3

Статистический показатель Номер попытки максимального результата ■( - критерий Стьюдента, Р - уровень значимости

Дневники (группа 1) Заочники (группа 2) ДЮСШ (группа 3)

1 16.39 13.25 10.50 Сравниваются группы 1 и 2 1= 1.51, Р >0.05 Группы 1 и 2 статистически однородны

О 9.4 9.85 10.19 Сравниваются группы 1 и 3 % = 1.34, Р > 0.05 Группы 1 иЗ статистически однородны

±т 1.39 1.56 4.16 Сравниваются группы 2 и 3 1 = 0.62, Р> 0.05 Группы 2иЗ статистически однородны

Таблица 4

Результаты итераций по поиску оптимальной техники

Статистический показатель Прирос! угла поворота ОЦМ биомеханической системы относительно ИСХОДНО! о уровня, град

Номер итерации

1 5 10 15 20 25 30

і 5,12 23.42 28.90 35.73 38.18 39.91 40.81

с 10.25 16.31 16.55 15.24 14.08 12.17 11.01

±т 1.05 1.66 1.69 1.56 1.44 1.24 1.12

г 4.98 - - - - - -

1 - критерий Стьюдента, Р - уровень значимости г = 9.30, Р< 0.05 1 = 2.97, Р> 0.05 1 = 0.91, Р < 0.05 -

- 1 = 2.31, Р <0.05 1=1.16, Р > 0.05 1 = 0.53, Р> 0.05

1 = 2.65, Р< 0.05

- г = 1.44, Р> 0.05

Следовательно, процесс улучшения показателей испытаний связан с обучаемостью испытуемых на основе эвристического построения рациональной техники исследуемого упражнения в вычислительном эксперименте на ПЭВМ. Наилучший показатель от-

мечается у студентов дневного отделения (42.28 % от идеального выполнения, синтезированного ПЭВМ). Этот факт, по-видимому, можно объяснить тем, что студенты в процессе обучения получили больший объем знаний, чем студенты заочного отделения, а

О Н Загревская. Компьютерное тестирование знаний о технике спортивных..

Таблица 5

Процент выходов за динамические ресурсы при моделировании большого оборота назад на перекладине

Статистический показатель Дневники Заочники ДЮСШ

Средняя арифметическая 59.62 42.82 51.61

Сумма квадратов отклонений 28 945.45 18 334.17 881.97

Сигма 24.30 21.68 13.28

Ошибка средней арифметической 3.44 3.43 5.42

X - критерий Стьюдента, Р - уровень значимости 1 =3.46, Р< 0.05 _

1 =1.25, Р> 0.05

- 1 =1.37, Р > 0.05

гимнасты ДЮСШ еще не овладели необходимым уровнем аналитико-синтетического мышления.

Средний показатель обучаемости при использовании эвристического построения оптимальной техники изучаемого упражнения на ПЭВМ составил примерно 40 %, что значительно выше, чем при традиционном методе обучения (по данным ЮНЕСКО использование ТМО обеспечивает 20 % уровень обучения). В среднем наибольший результат был достигнут в 14-й попытке синтеза упражнения (табл. 3).

Изданных (табл. 3) следует, что большой разброс показателей по номеру наилучшей попытки не позволяет считать, что наилучший результат может быть достигнут в интервале 10-17 попыток. Можно предположить, что это будет наблюдаться в районе 20-й попытки. Приводим статистические показатели результатов моделирования упражнения через каждые 5 попыток (табл. 4),

Из данных (табл. 4) следует, что между 15-й и 30-й попытками есть достоверное различие по приросту угла поворота биомеханической системы относительно исходного уровня (X = 2.65). В то же время между 20-й и 30-й попытками прирост результата недостоверен (I = 1.44). Этот факт свидетельствует о том, что хорошая обучаемость достигается

при использовании не менее 20 попыток синтеза упражнения.

Несомненный интерес представляют данные о процентном выходе испытуемых за границу динамических ограничений от общего количества попыток (табл. 5). В среднем он составляет от 40 до 60 %. То есть примерно половина попыток считается неудачной для построения рациональной техники упражнения, что компенсируется в конечном счете улучшением представления о технике изучаемого упражнения.

Заключение. Результаты педагогического эксперимента, обработанные методами математической статистики, свидетельствуют о возможности:

1) рационализации техники спортивных упражнений методом эвристического поиска на ПЭВМ;

2) формирования у занимающихся представления о рациональной технике спортивных упражнений на основе использования современных средств компьютерной техники;

3) самосовершенствования представления об эффективной структуре техники спортивных упражнений;

4) использования ПЭВМ как инструмента самообучения и познания биомеханических закономерностей технических действий спортсменов.

Литература

1. Сидоров А.А. и др. Педагогика: Учеб. для студ., аспир., преп. и тренеров по дисц. «Физическая культура». М., 2000.

2. Загревский В.И. и др. Построение оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ: Монография. Могилёв, 2000.