Кандидат педагогический наук, доцент А.Н. Фураев
Московская государственная академия физической культуры, Малаховка

Ключевые слова: биомеханичиские характеристики, методические рекомендации, тренировочный процесс.

Рациональное совершенствование сложных спортивных двигательных действий требует широкого использования тренажеров с обратной связью, предоставляющих спортсмену и тренеру оперативную информацию о параметрах выполняемого упражнения. При этом сами упражнения, как правило, крайне сложны, а их выполнение требует от занимающихся значительных затрат сил и энергии. Эффективность таких двигательных действий трудно охарактеризовать только каким-нибудь одним биомеханическим показателем (длительностью выполнения упражнения, максимумом развиваемого усилия и т. п.). Необходимо регистрировать и анализировать целый комплекс параметров, позволяющих достаточно полно охарактеризовать выполняемое упражнение. Добиться этого можно только с использованием современной микропроцессорной техники. Такой комплекс, включающий в себя регистрацию информации о характеристиках выполняемого упражнения, ее обработку и оперативное предоставление занимающемуся методических рекомендаций, фактически будет представлять собой автоматизированную информационно-советующую систему. На современном этапе основная проблема разработки и создания такого комплекса заключаются больше не в сфере аппаратной или программной реализации, а в адаптации имеющейся аппаратуры к требованиям реального тренировочного процесса.

Несмотря на уже накопленный опыт использования средств вычислительной техники для анализа биомеханических характеристик, эти средства, как правило, играют роль лишь ускорителя обработки анализируемых параметров. Настоящая публикация - попытка кратко обсудить задачи, возникающие при создании автоматизированных компьютерных систем для использования непосредственно в текущем тренировочном процессе.

Подходы к реализации такого рода проектов, естественно, могут быть разными. Разрабатывая автоматизированную систему, мы исходили из того, что занимающийся раз за разом выполняет однотипные двигательные действия, компьютер каждый раз осуществляет биомеханический анализ и в случае необходимости предлагает спортсмену методические рекомендации по коррекции выполнения упражнения.

На наш взгляд, такой вид спорта, как тяжелая атлетика, представляет собой хороший полигон для отработки подходов к созданию подобных автоматизированных систем. Поднимая штангу, атлет практически находится на одном месте. Перемещение спортсмена и снаряда происходит в основном только в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной, продолжительность выполнения упражнения составляет считанные секунды. Затем атлет, как правило после непродолжительного отдыха, повторяет упражнение.

Ниже рассматриваются основные этапы функционирования подобной информационно-советующей системы. Прежде чем охарактеризовать каждый из этапов, необходимо отметить, что все они теснейшим образом взаимосвязаны. Выбирая для регистрации ту или иную биомеханическую характеристику движений, нужно думать о наличии не только датчиков для ее регистрации, но и технологии анализа полученных значений этой характеристики, возможности коррекции этих параметров и т. д.

Блок регистрации биомеханических характеристик. Выбор биомеханических характеристик во многом определяет дальнейшие пути решения поставленной проблемы, а регистрируемые характеристики определяют способ их регистрации, в том числе выбор датчиков. Это имеет существенное значение как для самого процесса регистрации (крепится ли что-нибудь на теле спортсмена, на спортивном снаряде или нет), так и для следующего этапа (разные характеристики - разные показатели, разная точность регистрации, наличие разного уровня помех, разная стоимость самих датчиков и последующей обработки полученной с них информации для анализа и т. д.).

Применительно к тяжелоатлетическому спорту для получения информации о биомеханических характеристиках выполненного спортивного действия нами была выбрана вертикальная составляющая опорной реакции при подъеме штанги, регистрируемая тензодинамографической платформой. Разрабатывая автоматизированную систему, мы руководствовались следующими соображениями.

1. Автоматизированная система не должна накладывать существенные ограничения на ход тренировочного занятия, т. е. нужно по возможности отказаться от датчиков, устанавливаемых на снаряде или спортсмене и тем самым вносящих дискомфорт в выполнение спортивного упражнения. Достоинство тензодинамографической платформы, в частности, в том, что ее применение практически не влияет на естественный ход тренировки.

2. Нужен определенный научно-методический опыт использования выбранной системы измерений в оценивании выполнения тяжелоатлетического упражнения. Показатели вертикальной составляющей опорной реакции при этом достаточно хорошо изучены и широко используются для биомеханического анализа. Силы опорных взаимодействий, развиваемые тяжелоатлетом при подъеме штанги, и их распределение во времени в основном определяют происходящее с системой "атлет-штанга".

3. При выборе датчика регистрируемой характеристики нужно учитывать и точность регистрации, и последующую "стоимость" ее расшифровки, и информативность полученных данных. Так, можно предположить, что с успехом можно было бы использовать видеосъемку выполняемого упражнения. Однако существующие стандартные видеосистемы ориентированы на съемку с частотой 25-30 кадр/с, т. е. между смежными кадрами проходит 0,04 с, поэтому при такой частоте кадров велика вероятность пропуска ответственных моментов в системе выполняемого движения. Например, продолжительность важнейшей фазы - фазы амортизации - при выполнении рывка штанги может составлять менее 0,1 с (всего 2 видеокадра на фазу). Естественно, точно определить момент начала и окончания фазы при таких характеристиках крайне затруднительно. Поэтому необходимо применять специальные камеры с большой частотой кадров. Например, профессиональный телевизионный стандарт - 250 кадр/с. К тому же автоматизировать обработку полученных данных можно, лишь применяя еще плохо отработанные технологии - автоматическое выделение образов регистрируемых объектов, что делает саму автоматизированную систему крайне дорогой (и в денежном выражении, и в плане затрачиваемых усилий).

Блок выделения информативных параметров выполненного упражнения. На первый взгляд на этом этапе решаются лишь чисто технические задачи: выделить полезный сигнал, отфильтровать его от помех, зарегистрировать заранее выбранные характеристики. Однако вариативность выполнения упражнений как у одного и того же спортсмена, так и у разных приводит к определенному разбросу регистрируемых показателей. И как следствие должен быть разработан достаточно гибкий алгоритм выделения биомеханических параметров.

Начав работу над созданием автоматизированной системы, мы обратили внимание на то, что крайне сложно заранее предвидеть все возможные сочетания и соотношения между десятками регистрируемых показателей. Всегда рано или поздно найдется спортсмен, который по каким-то параметрам не вписывается в разработанный алгоритм. Дальнейшее усложнение алгоритма, выделение параметров далеко не всегда может оказаться целесообразным. На наш взгляд, следует воспользоваться опытом аналогичных разработок в медицине, где адекватное выделение параметров в 90-95 % случаев считается достаточно хорошим показателем.

Разрабатывая такой алгоритм выделения биомеханических параметров спортивного двигательного действия, приходится не просто выделять отдельные показатели, а учитывать различные соотношения между ними. Поиск необходимых показателей осуществляется по определенным алгоритмам, при этом нужно помнить, что некоторые из показателей предшествуют другим. Жесткая привязка к очередности выделения показателей, с одной стороны, упрощает алгоритм их определения, с другой - может привести к тому, что в случае некорректного определения очередного показателя автоматизированная система не сможет правильно определить следующие за ним.

Еще один аспект - точность, с которой необходимо регистрировать интересующие нас показатели. Обычно эта задача решается просто: выбирается максимальная точность устройства или точность, ставшая стандартной для регистрации изучаемых характеристик. При этом необходимо учитывать как частотный спектр составляющего информационного сигнала, так и абсолютную точность измерения рассматриваемой характеристики.

Абсолютная точность регистрации анализируемых параметров - временных интервалов, развиваемых в определенные моменты времени, сил и т. д. - должна так или иначе соотноситься с проблемой возможности их коррекции атлетом. На основании наших данных и данных других авторов выявлено, что тяжелоатлеты в состоянии различать продолжительность выполнения отдельных фаз подъема штанги с точностью до 0,01 с. Силовые воздействия, регистрируемые с помощью тензодинамографической платформы, необходимо определять с точностью до 1-2 кГс. Рассматриваемый аспект, оказывается, напрямую связан с методическими рекомендациями, предлагаемыми автоматизированными системами для последующей коррекции обнаруженных ошибок.

В настоящее время, как правило, показатели с датчиков вводятся в компьютер с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Ввод в компьютер осуществляется дискретно, с определенной частотой. Опыт показал, что для адекватного представления тензодинамограммы подъема штанга вполне достаточна частота оцифровки данных 1000 Гц.

Блок определения "ошибок", допущенных при выполнении упражнения. Этот блок наряду с блоком вывода методических рекомендаций - основной с педагогической точки зрения и определяющий ценность ней информационно-советующей системы для текущего тренировочного процесса. В настоящее время современную вычислительную технику только начинают использовать для совершенствования тренировочного процесса в плане помощи в педагогическом оценивании. Естественно, новые технологии позволяют применить качественно новые подходы для экспресс-анализа выполнения спортивных упражнений. Однако для оперативного внедрения информационных технологий в учебно-тренировочный процесс на первом этапе вполне допустимо использовать уже наработанные и апробированные подходы. Традиционно выполнение спортивного упражнения анализировали по следующей схеме: в процессе выполнения упражнения регистрировались биомеханические характеристики спортсмена, в этих характеристиках выделяли определенные параметры, значения которых сравнивали со значениями, принятыми за эталон (норму). Отклонение от эталонных значений трактовали как ошибку, которую нужно исправлять. Разные специалисты предлагали свои, несколько отличные значения показателей, принимаемых за нормы, не изменяя общего подхода к оценке двигательного действия.

Широкий спектр научно-исследовательских работ данного направления позволил установить, что техническая сторона выполнения спортивных упражнений зависит от целого ряда факторов: от квалификации спортсмена, его антропометрических данных и физических качеств, этапа спортивной подготовки и т. д. Все это должно влиять на величину показателей, принимаемых за норму. Однако современное состояние спортивной науки пока не позволяет сформировать оптимальную технику двигательного действия для конкретного спортсмена с учетом вышеперечисленных особенностей. Поэтому данные биомеханического анализа, получаемые в процессе тренировки или соревнований, обычно сравнивают с теми, которые получены на основании обобщения результатов наблюдений за группой спортсменов.

Начав разрабатывать автоматизированную систему для тяжелоатлетов, мы сначала также пошли по этому пути, однако вскоре поняли, что такой подход существенно ограничивает учет индивидуальных особенностей атлета. В результате процесс выделения допущенных ошибок был разделен нами на 2 уровня.

I уровень - сформулирован как требования к выделяемым биомеханическим показателям по аналогии с типичными в подобных случаях. Отдельные временные отрезки, периоды и фазы системы движений имели ограничения как по минимальной, так и по максимальной продолжительности выполнения. Некоторые ограничивались лишь с одной стороны. Регистрируемые показатели силы взаимодействия атлета с опорой переводились в проценты от поднимаемого веса снаряда, и их экстремумы сравнивались с принятыми за нормы значениями, полученными на основании обобщения литературных данных и собственного многолетнего практического опыта автора.

Если выявлены параметры, выходящие за установленные нормы, происходит переход анализа выполненного спортивного упражнения на II уровень. Он используется для уточнения некоторых параметров, значения которых в отдельных ситуациях могут не рассматриваться как ошибки. Идея заключается в том, что тяжелоатлетические соревновательные упражнения, особенно рывок штанги, можно отнести к упражнениям, результат в которых в значительной степени обусловлен скоростно-силовыми возможностями атлета. Результирующий эффект таких двигательных действий по большей части обусловлен временными параметрами его выполнения и скоростью нарастания силы. Поэтому для некоторых временных показателей снимается временное ограничение снизу, а у максимумов реакции опоры - ограничения сверху. Однако подобные поправки к параметрам допускались лишь в случае, если за установленные нормы не выходили другие статистически связанные с ними параметры. В случае если другие показатели, корреляционная связь с которыми была выявлена ранее, не выходят за установленные нормы, отклонение в рассматриваемом параметре не является ошибкой. Если же какой-либо из показателей, связь с которым была выявлена, выходит за установленные рамки, рассматриваемый показатель считается выполненным с ошибкой.

Очевидно, чтобы реализовать такой подход, требуется наличие определенной предварительной информации о выполняемом упражнении. Среднестатистические связи между параметрами тензодинамограммы, полученные традиционным способом по материалам анализа упражнения у нескольких тяжелоатлетов, могут в значительной степени отличаться от статистических связей между аналогичными параметрами у конкретного спортсмена. Исходя из этого учет взаимосвязей ошибок, допущенных на I этапе, может базироваться на сопоставлении с нормами, а в дальнейшем, после накопления нужного статистического материала по конкретному атлету, результаты могут быть использованы для характеристики его индивидуальной структуры.

Накопление нужного статистического материала регистрации выполнения спортивного упражнения позволит, используя математический аппарат теории оптимизации, сформировать модельные значения биомеханических параметров. В качестве стратегий, используемых для формирования принимаемых за нормы абсолютных значений параметров, могут выступать:

- регистрация параметров лучшей системы движения или системы движений при показе конкретным спортсменом наивысшего достижения;

- формирование модельных значений параметров на основании мнений экспертов (тренеров);

- формирование модельных значений параметров путем обобщения значений параметров, зарегистрированных в разных попытках выполнения упражнения.

Блок вывода методических рекомендаций. Реализуя данный блок в структуре автоматизированной информационно-советующей системы, приходится отвечать на 2 вопроса: 1) что система должна "отмечать" в качестве ошибок? 2) как преподносить данную информацию? Жесткая логика функционирования современной компьютерной техники требует формализовать моменты, на которые в обычном тренировочном процессе достаточно часто не обращают внимания.

Ответить на первый из поставленных вопросов - значит определиться с такими, например, задачами, как определение количества ошибок, которые спортсмену нужно предлагать корректировать. Компьютер может обнаружить не 1-2, а 8-10 ошибок, и, естественно, пытаться исправить все эти ошибки одновременно бессмысленно. В случае обнаружения нескольких ошибок - в каком сочетании их необходимо предлагать для коррекции? Наши эксперименты показали, что для тяжелоатлетов коррекция различных сочетаний параметров неравноуспешна.

Вопрос "Как преподносить информацию?" фактически подводит итог всей предыдущей работы автоматизированной системы. Очевидно, что это не должны быть рекомендации типа: "Сократите время выполнения второй фазы подъема штанги на столько-то долей секунды". Необходимо соотнести конкретную ошибку с понятными для спортсмена образами и представлениями (например, с внешними формами выполнения упражнения), а также с его ощущениями. Только подготовленные в таком русле методические рекомендации окажутся понятными спортсмену. Предлагая атлету методические рекомендации, желательно по возможности сопровождать их конкретными числовыми значениями корректируемой величины. В то же время необходимо учитывать, что способности человека дифференцировать те или иные показатели ограниченны. Причем умение различать два близких по значению уровня конкретного показателя и изменить этот показатель на минимальную величину - не одно и то же.

Заканчивая обзор задач, стоящих перед созданием автоматизированной информационно-советующей системы для спорта, следует отметить, что при выявлении допущенных спортсменом ошибок необходимо учитывать не только сами ошибки (наличие- отсутствие), но и динамику, тенденции сдвигов, происходящих при их коррекции.