CC BY
9многомерный непараметрическии анализ морфологических факторов возрастной динамики двигательных способностей школьников
УДК/UDC 796.01:612
Информация для связи с автором: apokin_w@maiLru
Поступила в редакцию 15.06.2016 г.
Доктор медицинских наук, профессор С.Н. Симонов1 Кандидат педагогических наук, доцент А.А. Частихин2 Доктор медицинских наук, профессор А.В. Гулин1 Кандидат педагогических наук, доцент В.В. Апокин3
1 Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, Тамбов
2 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Министерства обороны Российской Федерации, Воронеж
3 Сургутский государственный университет, Сургут
MULTIDIMENSIONAL NONPARAMETRIC ANALYSIS OF AGE-SPECIFIC MORPHOLOGICAL FACTORS OF MOTOR SKILL VARIATIONS IN SCHOOL CHILDREN
Professor, Dr.Med. S.N. Simonov1 Associate Professor, PhD A.A. Chastikhin2 Professor, Dr.Med. A.V. Gulin1 Associate Professor, PhD V.V. Apokin3
1 Tambov State University n.a. G.R. Derzhavin, Tambov
2 Military Training and Research Center of the Air Force "Air Force Academy n.a. Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin", Ministry of Defence of the Russian Federation, Voronezh
3 Surgut State University, Surgut
Аннотация
В Тамбовской области создана многоуровневая система мониторинга физического развития и физической подготовленности школьников. Электронная база данных персонального учёта позволяет оперативно оценивать уровень физического здоровья школьников и при необходимости быстро принимать меры коррекции. Выявление взаимозависимостей между антропометрическими характеристиками и двигательными способностями требует многомерного непараметрического анализа с выходом на комплексные модели с возможностью последующего прогнозирования процессов роста и развития детей и подростков. Кроме прочего, такой подход позволяет обеспечить реализацию принципа дифференциации и индивидуализации в физическом воспитании в школе.
Ключевые слова: многомерное моделирование, возрастная динамика двигательных способностей, рост и развитие детей и подростков, ауксологиче-ские исследования, мониторинг физического здоровья школьников.
Annotation
The Tambov provincial government has established a physical progress and physical fitness multilevel monitoring system applied to school children. An electronic personal account database gives the means to efficiently rate the physical health/ progress of the pupils under monitoring and, when necessary, take timely corrective actions. It is the multidimensional nonparametric analysis as a basis for complex models potentially capable of forecasting the children's and adolescents' growth and development processes that needs to be applied to find correlations of the anthropometric rates and motor qualities in the subjects. This method, among other things, makes it possible to implement the school physical education process differentiation and individualization initiatives.
Keywords: multidimensional modelling, age-specific variations of motor qualities, children's and adolescents' growth and development process, pupils' physical health monitoring.
Введение. Двигательные способности школьников, как правило, обусловлены взаимодействием биологических, экономических, климатических, экологических и других условий жизни, что определяет их зависимость от региона проживания [3]. Поэтому объективно существует актуальная задача разработки региональных нормативов физической
подготовленности детей и подростков школьного возраста для повышения эффективности работы по физическому воспитанию подрастающего поколения [2].
Для решения этой задачи необходимо разрабатывать методы моделирования возрастной динамики двигательных способностей школьников с учетом особенностей данного
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
CL ' -о с
га
^
О (U .с Н
региона проживания, которые давали бы возможность вероятностного прогноза средних результатов моторных тестов в любом школьном возрасте, а также в пограничных возрастных интервалах, относящихся к дошкольному и юношескому возрасту соответственно.
Возможность математического моделирования возрастной динамики тестов двигательных способностей детей и подростков в период их биологического развития определяется бурным прогрессом в настоящее время методов нелинейной динамики и их использованием в хронобиологии и других естественных науках, в частности наличием хорошо разработанных логистических моделей, описывающих различные процессы роста.
Детский и подростковый возрастные периоды приходятся на интенсивный рост человека, поэтому естественно сопоставить результаты тестирования основных двигательных способностей школьников, во-первых, с «универсальными» аналитическими функциями роста, известными из литературы, а во-вторых, с кривыми роста длины тела и различных его частей и тканей. Первое необходимо для исследования возможности предсказания роста средних результатов тестирования, а также возраста максимального среднестатистического результата, а второе - для изучения роли различных частей организма и/или его подсистем в формировании среднего результата тестирования заданной двигательной способности школьника.
Цель исследования - выявить оптимальные математические модели для описания возрастной динамики уровня физической подготовленности, а также характерные ритмы двигательных способностей школьников.
Методика и организация исследования. В качестве источника первичных данных использовалась электронная база данных о результатах моторных тестов школьников г Тамбова в возрасте 7-17 лет общей численностью 1874 человека [8-10].
Для аппроксимации осредненных трендов результатов тестирования школьников аналитическими функциями применялся пакет компьютерных программ «Ориджин» ("Origin Nonlinear fitting"), который использует метод наименьших квадратов. Исходными семействами функций являлись логистические функции Ферхюльста-Пирла и Колмогорова-Вейбула [1], хорошо описывающие различные процессы роста. Для проведения корреляционного анализа данных тестирования с возрастными изменениями некоторых характеристик организма, например длины тела, размера стопы и т. д., рассчитывали коэффициент корреляции с помощью пакета программ «Mathcad». Для исследования нерегулярной возрастной динамики результатов тестирования использовали методы спектрального анализа. Возрастная динамика представляет собой в общем случае широкополосный «сигнал», который можно разложить в ряд Фурье [4, 5].
В настоящем исследовании использовалась компьютерная программа Блэкмана, реализующая быстрое Фурье-преобразование дискретных временных рядов. Эта программа была выбрана из пакета аналогичных программ по результатам калибровочных тестов, использующих гармонические сигналы, сигналы в форме прямоугольника, а также сложных временных рядов с известными из литературы спектрами мощности [5, 6].
Результаты исследования и их обсуждение. Кривые роста различных тканей органов тела, демонстрирующие четыре основных типа роста, общеизвестны [5, 6]. Следует заметить, что эти кривые мало напоминают возрастную диа-
грамму результатов тестирования различных двигательных способностей школьников. Например, объем мозга на 95 % формируется уже к 10 годам, а его возрастное увеличение от 10 до 17 лет не превышает 5 %. Развитие лимфоузлов, репродуктивной системы и тела в целом имеет ярко выраженный пубертатный скачок в период полового созревания. Одним из качественных результатов настоящей работы является установленное отсутствие скачка данных тестирования в возрастном интервале, соответствующем пубертатному скачку роста (у девочек в 11-12 лет, у мальчиков в 14-15 лет). Поэтому корреляцию возрастной динамики результатов тестирования следует искать с возрастными изменениями отдельных частей тела, не демонстрирующих значительных пубертатных скачков. Это прежде всего кисть и стопа и, учитывая эффекты градиентного роста, прилегающие сегменты конечностей: предплечье, плечо и голень, бедро - соответственно, а также возрастное увеличение содержания эритроцитов в крови, которое, во-первых, не имеет ярко выраженного пубертатного скачка и, во-вторых, связано с ростом энергетических возможностей организма.
Нами проведено сравнение основных результатов возрастной динамики тестирования двигательных способностей школьников Тамбова с литературными данными возрастных изменений указанных сегментов, длины тела и содержания эритроцитов в крови [6, 9, 10].
Силовая способность (тест «Подтягивание на высокой перекладине из виса» для юношей и «Подтягивание на низкой перекладине из виса лёжа» для девушек). Корреляционный анализ кривых показывает, что самая высокая корреляция результатов подтягивания наблюдается с развитием кисти, плеча и предплечья, а также содержания эритроцитов в крови (все к > 0,964), а самая низкая - с ростом длины всего тела (к = 0,925). Подобные корреляции наблюдаются и у девушек. Коэффициенты корреляции возрастной динамики подтягивания с ростом содержания эритроцитов у юношей еще выше - к = 0,953. Сравнение данных подтягивания юношей и девушек с возрастными изменениями содержания эритроцитов и силой сжатия рук демонстрируют расщепление этих зависимостей по половому признаку: по силе сжатия рук -после 14 лет, по содержанию эритроцитов - после 12 лет, а по данным подтягивания - после 8-9 лет.
В период от 7 до 17 лет средняя длина тела юношей увеличивается приблизительно в 1,5 раза (со 115 до 178 см), а средняя масса тела - почти в три раза (с 20 до 60 кг). В то же время почти в 6 раз возрастает среднее число подтягиваний (с 2 до 12). Сравним работу, совершаемую школьниками 7 и 17 лет, при подтягивании:
A=mghN,
где т - масса подростка,N - количество подтягиваний, h-высота подъема тела при подтягивании, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения. Для оценки примем h~0.75, где / - длина плеча. Зависимость длины плеча от возраста детей согласно [5] дается следующей формулой / = (12.02+1,56?) ± 1,18 см. У семилетнего подростка /~24 см, т~20 кг, а у семнадцатилетнего ¡¡-40 см, т17~60 кг [7]. Согласно вышеприведённой формуле получим:
А ~20^>0.75^0.24^=72 (Дж), и А17«60^9.8^0.75^0.4^12=2880 (Дж).
Если положить, что на каждое подтягивание в среднем уходит 1 с, то средняя мощность движения, приходящаяся на одно подтягивание Р=М, в возрасте 17 лет почти в 5 раз превышает соответствующее значение мощности в 7 лет (Р 17-175 Вт, Р~36 Вт), а общие энергетические затраты отличаются более чем в 40 раз: А1/А~40. Поэтому подтягивание
84
http://www.teoriya.ru
№ 9 • 2016 Сентябрь | September
служит мерой «коэффициента полезного действия» (к. п.д.) организма. Он, в свою очередь, зависит от эффективности работы каждой клетки (т. е. «к. п.д. клетки»), которая в значительной степени определяется ее кислородным питанием, т. е. содержанием эритроцитов в крови, и рядом других факторов (развитием грудной клетки, кровеносной системы и т. д.). Этими обстоятельствами, видимо, объясняется высокая корреляция результатов подтягивания школьников обоего пола не только с возрастным развитием конечностей плечевого пояса, но и с содержанием эритроцитов в крови.
Скоростно-силовая способность (тест «Прыжок в длину с места») и силовая способность (тест «Бег на 30 метров»). Возрастные зависимости результатов прыжка в длину с места и длины стопы, голени и бедра, демонстрирующие очень высокую корреляцию ¿>0,999, которая несколько уменьшается в последовательности: прыжок-стопа (к12=0,9997), прыжок-голень (к13=0,9996), прыжок-бедро (к14=0,9993). Практически такое же соотношение коэффициентов корреляции наблюдается для бега на 30 м. В то же время для теста на общую выносливость «6-минутныйбег» - разница между коэффициентами корреляции уменьшается: к12=0.9969, к13=0.9960, к14=0.9945. Это означает, что на длинных дистанциях все сегменты нижних конечностей приблизительно в равной степени «отвечают» за результат тестирования. При беге на короткие дистанции, а также при прыжках в длину роль стопы несколько выше роли голени и бедра. Очевидно, что результат в прыжке с места зависит от подъема стопы, который при нормальном развитии школьника растет пропорционально размеру стопы. Отсюда, по-видимому, и следует несколько повышенная роль стопы при испытаниях в прыжке и спринте.
Отмеченная корреляция резко уменьшается при тестировании координационной способности - «Челночного бега 3x10 метров». Коэффициент корреляции возрастной динамики результатов челночного бега и изменения размеров стопы составляет к12=0,751, а в случае бега на 30 м к12 =0,9996. Очевидно, что вклад одного фактора (стопы) в конечный результат более сложного теста («Челночный бег») ниже, чем при более простом тесте на развитие скоростных способностей («Бег на 30 м»). Отсутствие пубертатного скачка при тестировании скоростной способности предположительно связано с тем, что увеличение длины тела в период полового созревания реализуется в основном за счет туловища, а пубертатный скачок нижних конечностей выражен слабо, особенно у стопы. Выводы:
• Выявлена высокая степень корреляции возрастной динамики подтягиваний с возрастным изменением длин сегментов рук (кисти, предплечья и плеча), а также содержанием эритроцитов в крови; а в моторных тестах - «Прыжок в длину с места», «Бег на дистанцию 30 метров с высокого старта» и «6-минутный бег» - с возрастным изменением длин сегментов нижних конечностей (стопы, голени и бедра).
• Установлено, что возрастные тренды «Челночного бега 3х10 м» у юношей и девушек хуже коррелируют с изменением длины нижних конечностей (к=0,751), чем «Бега на 30 м» (к=0,997).
• На основе спектрального анализа нерегулярной возрастной динамики тестов школьников на фоне хаотической составляющей выявлены три характерных ритма: 26±4 мес., 8^ мес. и около 2,6 мес. Предположительно ритм с периодом 2^ мес. обусловлен пиком физической активности детей после школьных каникул, а остальные ритмы
возникают вследствие взаимодействия эндогенного года с сезонами зимних и летних каникул.
Литература
1. Базыкин А.Д. Нелинейная динамика взаимодействующих популяций /А.Д. Базыкин. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных технологий, 2013. - 368 с.
2. Вишневский В.А. Системный анализ состояния организма детей на этапах школьного онтогенеза / В.А. Вишневский, В.В. Апокин, Д.В.Сердюков и др. - М.: Теория и практика физической культуры и спорта, 2010. - 367 с.
3. Вишневский В.А. Влияние природно-климатических и социально-экономических факторов на здоровье, физическое развитие и физическую подготовленность учащихся ХМАО-Югры / В.А. Вишневский, В.В. Апокин, С.В. Соколов и др. // Теория и практика физ. культуры. - 2010. - № 7. - С. 95-98.
4. Губа В.П. Морфологические исследования в спорте / В.П. Губа. СпортАгидельПрессс. - М., 2000. - С. 120.
5. Дженкинз Г. Спектральный анализ и его приложения / Г. Джен-кинз, Д. Ваттс. - М.: Мир, 1972. - 287 с.
6. Доскин В.А. Биологические ритмы растущего организма / В.А. Доскин, Н.Н. Куинджи. - М.: Медицина, 1989. - 224 с.
7. Колмогоров А.Н. Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрастанием количества вещества, и его применение к одной биологической проблеме / А.Н. Колмогоров, И.Г. Петровский, Н.С. Пискунов // Бюллетень МГУ. - 1937. - Т.1. - № 6. - С. 1-26.
8. Симонов С.Н. Синергетический подход в педагогике / С.Н. Симонов, О.В. Копаев // Теория и практика физ. культуры. - 2007. - № 8. - С. 29-31.
9. Симонов С.Н. Синергетическая модель сенситивных периодов развития двигательных способностей / С.Н. Симонов, А.А. Ча-стихин, Е.Г. Матвеев // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. - 2012. - Т. 17. - Вып. 4. - С. 1314-1317.
10. Симонов С.Н. Синергетическое моделирование сенситивных периодов развития двигательных способностей школьников / С.Н. Симонов, А.А. Частихин, А.В. Гулин, В.В. Апокин // Теория и практика физ. культуры. - 2016. - № 1. - С. 29-31.
References
1. Bazykin A.D. Nelineynaya dinamika vzaimodeystvuyuschih populyatsiy (Nonlinear dynamics of interacting populations) /A.D. Bazykin. Moscow-Izhevsk: Institut kompyuternyih tehnologiy, 2013. - 368 p.
2. Vishnevskiy V.A Sistemny analiz sostoyaniya organizma detey na etapah shkolnogo ontogeneza (System analysis of children's body status at different stages of school ontogenesis) / V.A Vishnevskiy, V.V. Apokin, D.V.Serdyukov i dr. - Moscow: Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury i sporta, 2010. - 367 p.
3. Vishnevskiy V.A. Vliyanie prirodno-klimaticheskih i sotsialno-ekonomicheskih faktorov na zdorove, fizicheskoe razvitie i fizicheskuyu podgotovlennost uchaschihsya KhMAO-Yugry (Health, physical development and physical fitness of KhMAR-Yugra pupils influenced by climatic and socio-economic factors) / V.A. Vishnevskiy, V.V. Apokin, S.V. Sokolov et al. // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. -2010. - № 7. - P. 95-98.
4. Guba V.P. Morfologicheskie issledovaniya v sporte (Morphological research in sport) / V.P. Guba. SportAgidelPresss. - Moscow, 2000. - P. 120.
5. Jenkins G. Spektralny analiz i ego prilozheniya (Spectral analysis and its application) / G. Jenkins, D. Watts. - Moscow: Mir, 1972. - 287 p.
6. Doskin V.A. Biologicheskie ritmyi rastuschego organizma (Biorhythms of growing body) / V.A. Doskin, N.N. Kuindzhi. - Moscow: Meditsina, 1989. - 224 p.
7. Kolmogorov A.N. Issledovanie uravneniya diffuzii, soedinennoy s vozrastaniem kolichestva veschestva, i ego primenenie k odnoy biologicheskoy probleme (Investigation of diffusion equation coupled with increase in amount of substance, and its biological application) / A.N. Kolmogorov, I.G. Petrovskiy, N.S. Piskunov // Byulleten MGU (Moscow State University Bulletin). - 1937. - V.1. - № 6. - P. 1-26.
8. Simonov S.N. Sinergeticheskiy podhod v pedagogike (Synergetic approach in pedagogics) / S.N. Simonov, O.V. Kopaev // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 2007. - № 8. - P. 29-31.
9. Simonov S.N. Sinergeticheskaya model sensitivnyih periodov razvitiya dvigatelnyih sposobnostey (Synergetic model of sensitive periods in development of motor abilities) / S.N. Simonov, A.A. Chastikhin, E.G. Matveev // Vestnik Tambovskogo universiteta. Ser. Estestvennyie i tehnicheskie nauki (Bulletin of Tambov University. Ser. Natural and Technical Sciences). - 2012. - V. 17. - Is. 4. - P 1314-1317.
10. Simonov S.N. Sinergeticheskoe modelirovanie sensitivnyih periodov razvitiya dvigatelnyih sposobnostey shkolnikov (Synergetic modeling of sensitive periods of development of pupils' motor abilities) / S.N. Simonov, A.A. Chastikhin, A.V. Gulin, V.V. Apokin // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 2016. - № 1. - P. 29-31.
