РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ДИДАКТИКИ
РАЗВИВАЮЩЕГО ОБУЧЕНИЯ В ПОДГОТОВКЕ
СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ФИЗИЧЕСКОМУ ВОСПИТАНИЮ

Труды ученых проблемной научно-исследовательской лаборатории

Научный руководитель - В.Н.Селуянов

Москва 1996

Теория и практика применения дидактики развивающего обучения в подготовке специалистов по физическому воспитанию: Труды сотрудников проблемной научно-исследовательской лаборатории / Научный руководитель В.Н.Селуянов. - М: Физкультура, образование и наука, 1996. - 106 с.

ISBN 5-89022-040-3

Сборник содержит две книги. В первой книге представлены основные положения философии научного познания, дидактики, основанной на теории развивающего обучения, критический анализ теории физической подготовки, указаны пути решения проблемы теоретической подготовки специалистов по физическому воспитанию. Во второй книге представлен предмет теоретического преподавания - математические модели, имитирующие процессы краткосрочной и долгосрочной адаптации организма человека в ответ на выполнение физических упражнений, методы тренировки и планы подготовки спортсменов, разработанные чисто теоретически, адекватность которых подкрепляется данными педагогических экспериментов.

Сборник адресован специалистам физической культуры.

Авторский коллектив: Селуянов В.Н. (научный руководитель), Мякинченко Е.Б., Тураев В.Т., Обухов С.М., Космина И.П., Зубкова А.В., Безденежных А.И. (зав. кафедрой физического воспитания Финансовой Академии при Правительстве РФ)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В развитии любой науки имеются эмпирическая и теоретическая стадии. Переход от эмпирической стадии к теоретической связан с большими трудностями. Исследователи должны поменять мировоззрение, методологию научного исследования. От наблюдения, измерения, систематизации, классификации и применения математической статистики для фиксации в аналитическом виде эмпирических законов необходимо перейти к построению моделей изучаемых объектов и проведению мысленных и компьютерных экспериментов для получения новых знаний (гипотез) с последующим экспериментальным доказательством корректности теоретических положений.

В настоящее время в учебном процессе институтов физической культуры профессиональная теоретическая подготовка специалистов отсутствует, поскольку нет ни одного учебника, построенного на методологии теоретического направления исследований, и тем более никак не используется теория развивающего обучения. Экспериментальная проверка уровня знаний специалистов по физическому воспитанию (из числа студентов, аспирантов, слушателей факультета повышения квалификации) показала полное отсутствие у них способности к теоретическому мышлению. Можно предположить, что проверка профессорского состава должна дать не намного лучший результат, поскольку нет учебников для институтов физической культуры, формирующих профессиональное теоретическое мышление.

Во второй книге представлены математические модели основных систем организма человека: ЦНС, мышечной, сердечно-сосудистой, эндокринной, иммунной. Эти модели дают основание для теоретического мышления. Методы и планы физической подготовки далее разрабатываются на основе этих моделей с подтверждением результатов теоретического исследования данными математического имитационного моделирования и педагогических экспериментов. Применение этого учебного материала при обучении теории физической подготовки спортсменов в институте физической культуры позволило сформировать у специалистов теоретический тип мышления, навыки научно обоснованного планирования тренировочных нагрузок.

Таким образом, вторая книга впервые представляет учебное пособие, с помощью которого можно формировать способность к профессиональному теоретическому мышлению.

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ДИДАКТИКИ
РАЗВИВАЮЩЕГО ОБУЧЕНИЯ В ПОДГОТОВКЕ
СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ФИЗИЧЕСКОМУ ВОСПИТАНИЮ

Труды ученых проблемной научно-
исследовательской лаборатории

Научный руководитель - В.Н.Селуянов

Типография "Принт Центр"
Объем 4 п.л. Тираж 200 экз.

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ
ФИЗИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема профессиональной теоретической подготовки специалистов по физической культуре и спорту может быть решена с разработкой двух задач. Первая задача связана с совершенствованием теории развивающего обучения, т.е. с уточнением процессов познания человеком объективной реальности и разработкой на этой основе дидактических принципов. Вторая - с конкретизацией состояния теории физического воспитания и определением путей поступательного ее развития от эмпирической стадии к теоретической.

В книге показано, что теория развивающего обучения может успешно внедряться только при преподавании развитых научных дисциплин, находящихся на стадии теоретического развития.

В настоящее время теория физической подготовки, а также биохимия и физиология спорта находятся на эмпирической стадии развития, что, как показывают педагогические исследования, ведет к снижению качества подготовки специалистов высшей квалификации. Для преодоления эмпиризма необходимо прежде всего создать новые учебники, принципы и правила построения которых здесь предлагаются.

Педагогический эксперимент - учебный процесс, проведенный с учетом разработанных правил и принципов (теории развивающего обучения), - подтвердил возможность формирования профессионального теоретического мышления у специалистов физического воспитания.

1.1. Теория познания - методологическая основа для разработки теории профессионального теоретического мышления

Логика, диалектика, теория познания ("Не надо трех слов, это - одно и тоже", - В.И.Ленин) обязаны показать, как развивается мышление, если оно научно, как оно создает духовную репродукцию объекта, реконструирует его самодвижение, воссоздает его в логике движения понятий и на деле - в эксперименте (Э.В.Ильенков, 1974). В.И.Ленин на основе работ Г.Гегеля наметил общую последовательность развития логических категорий: "Сначала мелькают впечатления, затем выделяется нечто, - потом развиваются понятия качества и количества. Затем... тождества - различия - основы - сущности - явления - причинности и т.д. Все эти моменты (шаги, ступени, процессы) познания направляются от субъекта к объекту, проверяясь практикой и приходя через эту проверку к истине... Таков действительно общий ход всего человеческого познания (всей науки) вообще...".

Идеи Г.Гегеля и В.И.Ленина были развиты в трудах философов (В.А.Штоффа, 1966; П.В.Копнина, 1973; А.П.Шептулина, 1983) и психологов (Д.Б.Эльконина, 1960; П.Я.Гальперина, 1966; А.Н.Леонтьева, 1971; В.В.Давыдова, 1972, 1986). Всеобщая схема логики аналогична процессу познания мира ребенком, конкретному научному исследованию какого-либо объекта.

Познание исторически и логически начинается с чувственного - ощущений. Они - субъективный образ объективного мира, первоначальный источник наших знаний. Идеальный образ предмета существует в структурах мозга в виде формы внешнего объекта, следовательно, как пространственный. Гегель отмечал, что стабильные во времени ощущения начинают восприниматься. Восприятие - это отражение в сознании человека предметов и образов окружающего мира. Эти восприятия - суть качественные особенности объекта. Разнокачественные восприятия отделяются друг от друга, что приводит к появлению понятий "граница", "предел", "конечное". Тождественные восприятия (качества), имеющие границы - суть количество. Стабильность качественных и количественных сторон объекта выделяют его из окружения, из среды. Взаимодействие объекта со средой выявляет его свойства, которые воспринимаются человеком как явления.

В процессе накопления чувственного знания восприятия сопоставляются, вычленяется общее, формируются представления о предметах. Представления - это обобщенные образы предметов и процессов (явлений). Далее представление приобретает наименование (слово), то есть появляется абстрактное понятие. Таким образом формируется язык как форма описания чувственного мира.

В абстрактных понятиях восприятия классифицируются и систематизируются, формулируются эмпирические законы. На этом завершается развитие чувственного познания (эмпирического знания) данного объекта, его свойств, как нечто среднее из ряда однотипных объектов.

Сущность явлений заложена как внутри объекта, так и в свойствах тел, с ним взаимодействующих. Для понимания природы явления необходимо рассмотреть строение объекта. Содержание материального образования составляют: элементы, взаимодействие элементов, изменения, возникающие в результате этого взаимодействия. С момента раскрытия оболочки объекта начинается новый этап чувственного познания, вновь необходимо пройти по всем ступеням чувственного познания: ощущение, восприятие, качество, граница, количество, свойства. Итогом является образ внутреннего строения объекта или, говоря другими словами, конструируется модель. Объект существует как единое целое, поэтому и модель должна рассматриваться в виде взаимодействия между ее элементами, то есть в развитии, в своем становлении. И с этого момента начинается диалектика - выявление противоречий и разрешение их. "Нечто жизненно, - размышлял Гегель, - только если оно... в состоянии вмещать в себя... противоречие и выдерживать его". Свойства объекта (явления) начинают пониматься как результат его функционирования, становятся понятными причинно-следственные связи; исследователь понимает суть явления.

Критерием истинности суждений является практика. Теоретическое мышление предполагает наличие у субъекта идеальной модели объекта, внешней среды, в которой существует данный объект, и правил управления им с целью достижения прогнозируемого результата. Правила управления объектом разрабатываются в рамках программно-целевого подхода (ПЦП).

И.С.Ладенко и Г.Л.Тульчинский (1988) считают, что решения о проведении научно-исследовательской работы принимаются на основе информации:

- заданий на исследование;

- имеющихся ресурсов;

- возможности управления;

- внешних ограничений.

Управление осуществляется как выработка и сообщение распоряжений и получение информации об их исполнении. Выработка решений производится при подготовке программы. Программа научного исследования есть перечень решений (комплекс мероприятий), направленных на достижение поставленной цели (желаемого результата). Она включает в себя формирование:

- представления об идеальном результате;

- цели;

- задач;

- операций;

- проекта обеспечения программы средствами.

Проверка эффективности разработанной программы осуществляется с помощью имитационного моделирования. С помощью имитационной модели можно воспроизвести поведение объектов управления, их переходы из одних состояний в другие. В модели имитируется динамика объекта во времени, что способствует проверке и корректировке последовательности частей программы, а также совершенствованию имитационной модели. Наращивание информации об объекте управления, ее осмысление и качественное переконструирование производится на всех этапах исследования (И.С.Ладенко, Г.А.Тульчинский, 1988).

Следовательно, теоретическое мышление основывается на знании объекта как целостной системы, то есть построении имитационной модели на основе введения абстрактных идеальных объектов, и заключается в прогнозировании процессов с учетом начального его состояния и условий внешней среды.

В соответствии с логикой познания в научном знании выделяют два уровня - эмпирический и теоретический. Эмпирическое исследование ориентировано на изучение явлений и зависимостей между ними, в нем сущностные связи не выделяются в чистом виде, но они могут быть обнаружены после теоретического изучения. Теоретическое исследование выполняется с целью познания сущностных связей в чистом виде (М.Ф.Мостепаненко, 1972; А.П.Шептулин, 1983).

Теория и эмпирическое исследование имеют дело с разными срезами одной и той же действительности. Следует заметить, что индуктивное обобщение любого количества опытов не ведет к теоретическому знанию, теория не строится путем индуктивного обобщения опыта. Эйнштейн считал этот вывод одним из важнейших гносеологических уроков развития физики ХХ века. В теоретическом исследовании отсутствует непосредственное практическое взаимодействие с объектами, действительность может изучаться только опосредованно, например, в мысленном или математическом имитационном моделировании на ЭВМ. В качестве основного средства теоретического исследования используются теоретические идеальные объекты. Это - особые абстракции, в которых заключен смысл теоретических терминов. Любая теория строится с применением таких объектов (М.Ф.Мостепаненко, 1972; Э.В.Ильенков, 1974).

1.2. Нейро-физиологические и психологические основы теоретического мышления

В решение проблемы теоретического мышления огромный вклад внес Спиноза. Э.В.Ильенков (1974) так разъяснял его позицию.

"...Мышление - способ действия мыслящего тела... Исследование материальных... механизмов, с помощью которых осуществляется мышление внутри человеческого тела, то есть анатомо-физиологическое изучение мозга, разумеется, интереснейший научный вопрос, но и самый полный ответ на него не имеет никакого отношения к ответу на прямо поставленный вопрос: ЧТО ТАКОЕ МЫШЛЕНИЕ? Ибо тут спрашивают совсем о другом. Спрашивают не о том, как устроены ноги, способные ходить, а о том, что такое ходьба?... В одном случае спрашивают об устройстве органа, а в другом - о той функции, которую он выполняет... Самое полное описание структуры органа, то есть описание его в бездействующем состоянии, не имеет никакого права выдавать себя за хотя бы приблизительное описание той функции, которую он выполняет, за описание того реального дела, которое он делает... Мыслящее тело активно строит (конструирует) форму (траекторию) своего движения в пространстве сообразно с формой (с конфигурацией и положением) другого тела, согласовывая форму своего движения (своего действия) с формой этого другого тела, причем любого... Так, человеческая рука может совершать движение и по форме круга, и по форме квадрата,... обнаруживая тем самым, что структурно-анатомически она заранее не предназначена к какому-либо одному из названных действий и именно потому способна совершать любое движение."

Современные данные о строении мозга позволяют понять существо явления - мышления. В коре головного мозга человека выделяют 42 типа нейронов (Г.И.Поляков, 1973). Дендритам нейронов принадлежит 80-90% общей их поверхности, поэтому важно учитывать особенности устройства дендритов. В морфологических работах выделяют в качестве особой формы аксодендритных синапсов аксошипиковые синапсы, которые еще называют шипиками. Шипики представляют собой специфические выросты на дендритах и являются филогенетически самыми молодыми образованиями в нервной системе. В онтогенезе они созревают значительно позже других структур клетки и представляют собой ее наиболее пластический аппарат. Некоторые данные о структуре шипиков позволяют предположить, что они обладают как сенсорными, так и контрактильными механизмами. На поверхности выпуклой части шипика имеется синапс, как правило, возбуждающий. Подсчитано, что на пирамидном нейроне в коре человека содержится около 4000 шипиков, нейроны с шипиками занимают более 90% поверхности клетки коры. Каждый аксон может обрабатывать от нескольких десятков до нескольких сотен аксошипиковых контактов, то есть создавать мощный аппарат для объединения корковых модулей. При длительной потенциации шипики укорачиваются и становятся толще, сближают дендриты. Осуществляется это с помощью сократительных белков - стержневых актинсодержащих структур. Изменения формы шипиков могут составлять структурную основу памяти, процессов мышления (В.П.Бабминдра, Т.А.Брагина, 1982; Л.Н.Станкевич, В.П.Бабминдра, 1991).

Таким образом, аксошипиковые структуры - пластический аппарат нервной системы, является морфологической базой построения произвольных идеальных образов, в частности адекватных предметам внешнего мира.

В процессе мышления задействована вся кора головного мозга, поэтому важно соблюдать психологические правила повышения эффективности мыслительной деятельности.

Идеальные образы, модели реальных объектов - основа теоретического мышления. Возникают они на базе ощущений, поэтому точность образа зависит от количества вовлеченных в процесс восприятия анализаторов человека. Отсюда следует принцип максимального вовлечения в процессе познания анализаторов человека - зрительных, слуховых, тактильных, проприорецептивных, вестибуляторных и др. Процесс познания является психической деятельностью, и ее можно представить в виде последовательности операций:

- восприятие из совокупности ощущений потребностей, как отображение субъектом его требований к среде;

- выбор из совокупности потребностей одной, которая становится мотивом будущей деятельности - это некий объект, воспринимаемый или мыслимый, в котором конкретизируется потребность (А.Н.Леонтьев, 1981);

- изучение выбранного объекта как целого, познание его свойств при взаимодействии со средой;

- формулировка цели, то есть представления субъекта о продукте, который будет получен с помощью выбранного объекта и который удовлетворит потребность субъекта деятельности;

- определение предмета деятельности, то есть построение идеальной модели объекта и среды; для этого объект вскрывается, в нем определяется элементный состав и структура, взаимосвязи элементов (системный подход);

- устанавливаются начальные условия и проводится мысленное имитационное моделирование, другими словами, реализуется теоретическое (диалектическое) мышление, с помощью которого удается воспроизвести целостную деятельность объекта, предсказать его свойства, то есть возможно понять сущность наблюдаемых явлений.

Здесь же проектируется выбор средств и технологии обучения;

- мысленная имитационная деятельность становится основой для предметной деятельности. В ходе предметной деятельности производится проверка адекватности теоретического мышления и, в случае рассогласования результатов практической деятельности с теоретическим продуктом, вводится коррекция либо в представления об объекте, либо в условия проведения опыта, либо в технологию практической деятельности;

- контроль и оценка результата предметной деятельности (продукта) позволяет либо поддерживать мотив деятельности, либо его снимает, что приводит к распаду деятельности (А.Н.Леонтьев, 1981).

Ключевым моментом успешности теоретического мышления является построение идеального образа объекта. Оперирование образами - основа многих видов профессиональной деятельности, и эта способность закладывается уже в дошкольном возрасте. Исследование психологии игры (Д.Б.Эльконин, 1978; А.Н.Леонтьев, 1981; А.В.Запорожец, 1986), а также развития восприятия (Л.Н.Венгер, 1969) показали, что основным механизмом формирования образного мышления является интериоризация внешних предметных действий - такое их преобразование, в результате которого происходит переход от различного рода материальных средств к использованию образов при решении возникающих перед человеком практических и познавательных задач. Образ, понимаемый как мысленная картина действительности, может выполнять свою функцию только в том случае, если он отражает в своем содержании строение познаваемого объекта.

Исследования В.Б.Синельникова (1991) убедительно показали, что наиболее эффективно образное мышление формируется в ходе освоения отношения "часть - целое", при расчленении предметных образов (объектов) на части и воссоединении этих частей в единое целое. Переход детей к использованию образов (объектов), фиксирующих в своем содержании узловые и вспомогательные компоненты, зависит от способа обучения и от строения этих объектов. Объекты, имеющие сложное строение, следует изучать по частям. Необходимо сначала разделить объект на крупные блоки, затем каждый отдельный блок делится на части. Важной особенностью расчленения объекта является учет его иерархической структуры и взаимосвязи объекта со средой.

1.3. Практика - путь корректировки субъективного мировоззрения

Способность мозга формировать любые идеальные объекты создает проблему для объективного познания мира. Гегель (по Э.В.Ильенкову) включает в логику... исключительно те определения, которые выступают перед сознанием в науке, в теоретическом сознании... Логика тем самым оказывается нацеленной на отыскание и исследование объективных законов, которые нарушить невозможно - они составляют определенность предмета, без чего предмет перестает существовать. В этом случае действия теоретика совпадают со схемой развития его собственной науки, а стало быть, сама наука развивается через действия данного теоретика.

Практика человечества (продолжает Э.В.Ильенков) есть совершенно конкретный и в то же время всеобщий процесс. Она включает в себя как свои абстрактные моменты, так и все другие формы и виды движения материи, и совершается в согласии с ее законами. Поэтому общие законы изменения природы человеком оказываются и общими законами изменения самой природы, выявляемыми деятельностью человека, а не чуждыми ей предписаниями, диктуемыми извне. Всеобщие законы изменения природы человеком это и есть всеобщие законы природы, в согласии с которыми человек только и может успешно ее изменять.

1.4. Критика традиционной педагогики

Глубокий анализ традиционной педагогики выполнил В.В.Давыдов (1972). Он пишет: "Одна из главных предпосылок традиционной системы обучения состоит в том, что дети должны усвоить определенные сведения об окружающем природном и общественном мире, а затем с их помощью решать определенный круг практических задач....Организацию непосредственного опыта и передачу опосредованных сведений выполняет учитель. Учащимся передается компендиум сведений о вещах и их более или менее точное описание....Определения и понятия описывают разные стороны вещей и явлений, воспринимаемые непосредственно или ранее наблюдаемые другими людьми." Как видно, в основе традиционной педагогики лежит эмпирическая теория мышления, поэтому "...совершенствование содержания учебных предметов неизбежно должно происходить в виде постоянного наращивания все новых и новых тем на относительно неизменное ядро традиционного курса....Развитие знаний здесь может интерпретироваться лишь как расширение их объема, ибо в пределах эмпирической теории нет средств анализа взаимосвязи формы и содержания знания, постоянного теоретического углубления в сущность предмета как перехода от сущности первого порядка к сущности второго порядка и т.д. ...Практика развертывания учебного материала традиционно ориентируется по преимуществу лишь на принципы рассудочного мышления, не обеспечивая должных и развернутых условий для формирования у школьников компонентов мышления теоретического. В этих обстоятельствах научные понятия при их школьной интерпретации могут становиться лишь суррогатом научных знаний".

"...Научное знание - это не простое продолжение, углубление и расширение повседневного опыта людей. Оно требует выработки особых средств абстрагирования, особого анализа и обобщения, позволяющего фиксировать внутренние связи вещей, их сущности, особых путей "идеализации" объектов познания. ...Полноценное усвоение научно-теоретических знаний предполагает предварительное построение в голове учащихся предметов соответствующих наук, формирование у них способностей теоретического отношения к вещам. Для ребенка, имеющего лишь непосредственную оценку окружающего мира, этот теоретический взгляд на вещи необычен, заранее не дан и сам по себе не возникает. В ходе школьного обучения (и в этом его основная задача) важно с самого начала развести перед учащимися непосредственные свойства вещей и возможные их преломления в теоретическом понятии....Для эмпирической теории мышления существует схема "человек - описание вещей", но не существует схемы "человек - вещи - теоретическая модель связи вещей".

"Дальнейшее совершенствование образования, приведение его в соответствие с научно-техническими достижениями века предполагает изменение типа мышления, проектируемого системой обучения. Новой моделью должно стать диалектическое, теоретическое мышление."

Разработка этой... проблемы требует решения следующих задач:

- развитие логики и теории познания;

- изучение психологических механизмов формирования теоретического типа мышления;

- разработка учебников, то есть предметов обучения, при изучении которых учащиеся могли бы овладеть основами теоретического мышления, его компонентами.

1.5. Технология развивающего обучения

"Чтобы освободиться от натурализма в понимании объекта усвоения психология и дидактика должны учитывать своеобразие самой формы научного познания, научного подхода к действительности. Научный характер учебного материала определяется таким способом оформления сообщаемых школьникам знаний, при котором эти знания становятся содержанием собственно теоретического мышления. Поэтому учащимся нужно давать такой материал, усвоение которого с самого начала обеспечивает формирование у них содержательных абстракций, обобщений и понятий. При этом нисколько не ущемляется роль экспериментальных и фактических данных ("эмпирических сведений"). Они, правда, не получают самостоятельного значения, так как сразу берутся в той функции, которая придает им всеобщий характер - форму содержательной абстракции и обобщенности" (В.В.Давыдов, 1972).

Технология формирования теоретического знания, содержательных обобщений совсем иная, чем та, которая свойственна обобщениям эмпирического характера. Основой этого процесса служат не наблюдение и сравнение внешних свойств предметов (традиционная наглядность), а преобразующее (пишет В.В.Давыдов) предметное действие и анализ, устанавливающие существенные связи целостного объекта, его генетически исходную (всеобщую) форму. Здесь необходимо особенно выделить то, что существенные связи целостного объекта - это взаимосвязи, существующие между элементами, из которых состоит этот объект.

Принципы построения учебных предметов (сформулированы В.В.Давыдовым):

- все понятия, конструирующие данный учебный предмет или его основные разделы, должны усваиваться человеком путем рассмотрения предметно-материальных условий их происхождения, благодаря которым они становятся необходимыми (иными словами, понятия не даются как "готовое знание", а должны характеризовать внутреннее устройство изучаемого объекта и его развитие).

- Усвоение знаний общего и абстрактного характера предшествует знакомству с более частными и конкретными знаниями; последние должны быть выведены из первых, как из своей единой основы. Этот принцип следует пояснить. Единой основой теории является знание об устройстве изучаемого объекта, на этом базисе разворачивается теоретическое (диалектическое мышление), которое и порождает следствия, то есть более частные и конкретные понятия, законы функционирования объекта, взаимодействия его с окружающей средой.

- При изучении предметно-материальных источников тех или иных понятий ученики прежде всего должны обнаружить генетически исходную, всеобщую связь, определяющую содержание и структуру всего объекта данных понятий (например, процессы энергообеспечения в клетках и реализации наследственной информации).

- Всеобщую связь необходимо воспроизвести в особых предметных, графических или знаковых моделях, позволяющих изучать ее свойства "в чистом виде".

- У обучаемых нужно специально сформировать такие предметные действия, посредством которых они могут в учебном материале выявить и в моделях воспроизвести существенные связи объекта, а затем изучить свойства этих моделей.

- Учащиеся должны постепенно и своевременно переходить от предметных действий к их выполнению в умственном плане.

1.6. Применение компьютерной техники в технологии развивающего обучения

Вычислительная техника используется в процессе обучения по следующим основным направлениям:

- накопление информации в виде текстов, схем и рисунков, базы данных;

- объединение в единый комплекс правил, фактов и механизмов вывода для ответов на вопросы из данной предметной области, база знаний;

- формирование систем искусственного интеллекта, включающих как базу знаний, так и формализованный опыт специалистов, экспертные системы;

- разработка компьютерных игр, которые могут быть сгруппированы:

а) "спортивные игры" - требуют проявления различных видов психической реакции и двигательного быстродействия;

б) логические игры - шахматы, шашки и т.п.;

в) имитационные - в ЭВМ имеется программа, которая имитирует поведение изучаемого объекта.

Первое направление из вышеназванных не может существенно повлиять на процесс обучения, поскольку базы данных лишь ускоряют процесс поиска информации. Заметим, что при наличии учебника с предметным указателем преимущество компьютера резко снижается.

Второе и третье направления обеспечивают подход к объекту как к черному ящику, поэтому базы знаний и экспертные системы могут использоваться в технологии традиционной (эмпирической) педагогики для формирования навыков управления объектом.

Логика четвертого направления - разработка имитационных игр или программ, моделирующих строение, функционирование и информационные потоки в изучаемом объекте, позволяет существенно повысить эффективность педагогической технологии развивающего обучения. Рассмотрим эту возможность подробнее.

Суть технологии развивающего обучения заключается, во-первых, в накоплении знаний о строении изучаемого объекта, о свойствах элементов, из которых состоит объект; во-вторых, в применении этих знаний для описания механизмов функционирования объекта при заданных начальных условиях внешней и внутренней среды. Эта вторая часть и есть собственно теоретическое мышление, однако оно носит субъективный характер и на начальных этапах обучения грешит многочисленными логическими ошибками - чем сложнее объект, тем больше должно быть ошибок, и тем труднее преподавателю их выявлять. А самое главное - преподавателю трудно доказать справедливость собственных суждений. На этом этапе технология развивающего обучения уже невозможна без применения имитационных моделей, поскольку в сжатые сроки обучения получить максимум обратной информации о корректности теоретического мышления можно, как правило, только с помощью ЭВМ.

Из сказанного следует еще одно важнейшее положение, без которого реализация технологии развивающего обучения невозможна: предмет обучения должен представлять собой развитую теорию изучаемого объекта. Очевидно, что наука, находящаяся на эмпирической стадии развития, не может преподаваться средствами технологии развивающего обучения, поскольку в ней отсутствует предмет обучения.

1.7. Дидактические основы построения учебника

Учебник выполняет функции носителя содержания образования и организатора процесса усвоения этого содержания учащимися (И.Я.Лернер, А.З.Рахимов, Л.М.Кузнецова, И.Д.Зверев, 1991).

Основу содержания образования составляют:

- знания разных видов (факты, законы, теории);

- способы деятельности (предметные и процессуальные);

- средства творческой переработки знаний;

- средства эмоционально-ценностного воздействия на учащихся.

Организация процесса усвоения содержания образования достигается:

- расположением материала в соответствии с логикой развития науки;

- должным раскрытием каждой темы в соответствии с теорией учения по следующей схеме:

а) постановка задачи и формирование мотивов предстоящей учебной деятельности (сообщаются научные факты пока без научного обоснования), формулируется проблема;

б) определяется объект и предмет исследования;

в) описывается модель изучаемого объекта;

г) описывается способ функционирования модели;

д) отрабатывается в умственной форме описание процессов (в речевой форме или внутренней речи) сначала в репродуктивном варианте, а затем в творческом;

е) контроль и самоконтроль выполняется по учебнику, а в случае решения творческих задач - с помощью педагога или имитационной компьютерной модели;

ж) завершающая систематизация изученного материала и увязка с ранее приобретенными знаниями и навыками.

Таким образом, описание объекта, внешней среды, представление о процессах (диалектика), обеспечивающих целостное существование объекта, разработка приемов, позволяющих достигать заранее поставленной цели на основе знания, должны составлять как организационный план развития научного исследования, так и план написания учебника.

2.1. Состояние теории физической подготовки

Теория физического воспитания есть наука об общих закономерностях, определяющих содержание и формы построения физического воспитания как педагогически организованного процесса, органически включенного в общую систему воспитания человека (Л.П.Матвеев, 1979). Физическая подготовка является основополагающей стороной содержания физического воспитания, призванная для развития физических возможностей. Эта сторона физического воспитания связана с выполнением физических упражнений, вызывающих определенные физические нагрузки, после чего возникают морфофункциональные перестройки в системах и органах спортсмена.

Наиболее полно теория физической подготовки (ТФП) была впервые изложена в монографии Л.П.Матвеева "Основы спортивной тренировки". В ней физическая подготовка рассматривалась как раздел курса, в котором приводились только методы воспитания силовых, скоростных, выносливостных способностей и гибкости. Особенностью изложения материала было то, что приводилось описание только обобщений эмпирического опыта. В учебнике можно найти ответы на вопросы типа "как тренироваться?" и полностью отсутствует материал, с помощью которого можно было бы ответить на вопросы "что тренируется?" и "почему требуется именно данное рекомендуемое средство и методика тренировки?".

Большинство специалистов понимает, что теория физической подготовки не может развиваться в стороне от достижений спортивной биологии. Поэтому, начиная с 80-х годов, ведутся упорные попытки привлечения биологической информации для обоснования эмпирических закономерностей построения спортивной тренировки.

Л.П.Матвеев и Ф.З.Меерсон (1984) попытались привлечь закономерности функционирования абстрактной клетки и развития в ней структурно-функционального следа (адаптации) для интерпретации принципов спортивной тренировки, однако и сами авторы признали, что такой редукционистский подход не мог дать существенного сдвига в понимании эмпирических принципов построения спортивной тренировки. Обусловлено это тем, что прямой перенос закономерностей клеточного уровня для объяснения поведения человека как целого приводит к некорректным обобщениям.

В.М.Платонов при подготовке двух монографий (1984,1988) проделал большую работу по обобщению данных спортивной биологии. Его важным дополнением к курсу спортивной тренировки стало включение раздела "Контроль в спортивной тренировке", поскольку именно с контроля начинается и заканчивается любой управленческий цикл. К сожалению, биологическая информация использовалась В.М.Платоновым лишь для обоснования факторов, обуславливающих спортивную работоспособность. Такой подход остается в рамках эмпирического направления развития науки и является лишь иллюстрацией уже известных эмпирических положений, закономерностей и принципов построения тренировки. В частности, при описании принципов построения микроциклов биологическая информация вообще не используется, есть ссылка лишь на работу Ю.В.Фольборта (1958), которая была выполнена на крысах и касалась рассмотрения процессов метаболизма и синтеза гликогена в печени. На основе этой работы и системы гипотетических представлений о явлениях "суперкомпенсации", "суммирования эффекта" нескольких тренировок, скорости восстановления работоспособности после нагрузок большой, значительной, средней и малой мощности предлагается строить микроциклы. Очевидно, что на таких сомнительных основаниях заниматься научным планированием (предвидением) невозможно. На наш взгляд, это слишком приблизительные, неконкретные обобщения, касающиеся процессов адаптации вообще, тогда как эти процессы в каждом конкретном случае тренировки идут в строго определенных клетках органов.

В.М.Платонову не удалось преодолеть "эмпиризма" в разработке теории физической подготовки, однако это не удалось сделать и Ю.В.Верхошанскому (1990). Несмотря на корректную исходную посылку, а именно - построение тренировочного процесса должно вестись с учетом процессов адаптации систем и органов, попытка применения знаний спортивной биологии не удалась. Все свелось, как справедливо заметили его оппоненты А.С.Медведев (1990) и Ф.П.Суслов (1990), к переформулировке давно уже известных явлений.

Наиболее близок к разработке теории физической подготовки был В.М.Зациорский (1966). В монографии "Физические качества спортсмена" им были изложены концептуальные модели отдельных систем организма (мышечной, сердечно-сосудистой), описана биохимия мышечной деятельности, однако в начале 60-ых годов еще было недостаточно биологической информации для целостного изложения ТФП.

В истории развития науки аналогичные явления уже встречались. Так, Энгельс в "Анти-Дюринге" пишет: "Состояние разброда в современном учении об электричестве, делающем невозможным установление какой-либо всеобъемлющей теории, обусловлено господством односторонней эмпирии, которая запрещает себе мышление, которое именно поэтому мыслит ошибочно, неверно следует фактам, их изучает, тем самым становится чем-то противоположным эмпирии". Для преодоления "эмпирии" необходимо развивать теоретическое направление исследований объекта и на этой основе создавать развитую научную дисциплину. В основе теоретического мышления лежит модель изучаемого объекта.

2.2. Моделирование в научном исследовании

Научное исследование проходит несколько стадий. На первой стадии эмпирического исследования органы чувств физически взаимодействуют с объектом, на второй исходным является не сам объект, а данные опыта, на третьей - исходные группировки данных. Следовательно, на второй и последующих стадиях эмпирического исследования ученый имеет дело с заместителями объекта (М.В.Мостепаненко, 1972).

Любые заместители объекта исследования называются моделями. Модель это естественный или искусственный, материальный или идеальный заменитель объекта, который имеет общие свойства с изучаемым объектом. Процесс исследования, разработка модели называется моделированием.

Моделирование - основной метод теоретического исследования. На первой стадии теоретического исследования строится новый или расширяется существующий базис, то есть описывается идеальный объект - модель действительности. На второй стадии проводится мысленное или математическое имитационное моделирование для изучения закономерностей функционирования и развития модели, доказательство адекватности поведения модели реальному объекту. На третьей стадии теория или обнаруженные закономерности используются для конструирования, проектирования, применения новых знаний на практике. Логика теоретического исследования подробно описывается в программно-целевом подходе (И.С.Ладенко, 1987).

Ученый, занимающийся изучением модели, становится управляющей системой, а модель - объектом управления. Взаимодействие между ними осуществляется посредством следующей информации:

- целевых требований к объекту управления;

- описания объекта управления (описание модели, доказательство ее адекватности);

- критериев предпочтения из рассчитанных вариантов.

Управление осуществляется с учетом влияния внешней среды на поведение объекта.

Для прогнозирования поведения объекта необходима модель. Модель создается с учетом следующих основных методических принципов:

- системности - объект прогнозирования рассматривается как система; с учетом цели определяется необходимый набор элементов и структура;

- природной специфичности - при создании модели объекта учитывается специфика его природы, физические основы процессов взаимодействия между элементами;

- оптимизации - сложность модели должна обеспечить заданную достоверность и точность прогноза в требуемый срок.

Таким образом, "теория есть система идеальных образов (понятий), отражающих сущность исследуемого объекта, его внутренние необходимые связи, законы его функционирования и развития" (А.П.Шептулин, 1984). Для разработки теории необходимо построить концептуальную (для получения количественных оценок - математическую) модель объекта; в ходе имитационного моделирования предсказать известные явления, обнаружить новые; найти наиболее выгодные для практического использования пути воздействия на объект; экспериментально обосновать эффективность предложений, следующих из теории.

2.3. Основы теории управления и применения тренажеров

Под управлением понимается процесс обеспечения целенаправленного поведения системы при изменяющихся внешних условиях. В нашем случае объектом исследования является система, состоящая из двух подсистем - тренер (управляющая) и спортсмен (управляемая). В теоретическом исследовании вместо спортсмена должна использоваться концептуальная или математическая модель.

Процесс управления, организованный по принципу регулирования, разделяют на следующие функции управления: планирование, организация, учет, контроль и регулирование. Планирование, организация и учет реализуются с определенными интервалами времени, то есть представляют собой дискретные действия. Приведем определения перечисленных понятий.

Планирование - это деятельность по выработке и принятию управленческих решений. План предусматривает содержание, последовательность и сроки выполнения работ.

Организация - создание условий, содействующих выполнению плана. Эта деятельность касается всей системы управления - и тренера, и спортсмена.

Учет - качественная и количественная оценка действий процесса управления, является начальной, исходной функцией управления, предшествует планированию, служит обратной связью.

Трудовая деятельность тренера сводится к решению управленческих проблем. Средствами труда выступают различные методы, техника принятия решений. Предметом и продуктом управленческого труда является информация, то есть решения, определяющие величину управляющих воздействий на объект управления. Особенность этой продукции состоит в том, что возможный брак можно обнаружить только после ее "потребления" спортсменом. Очевидно, что применение в тренировочном процессе "бракованных" управленческих решений граничит с преступлением, поэтому актуально применение в учебном процессе институтов физической культуры и даже в тренировке спортсменов высшей квалификации имитационных моделей-тренажеров. При проектировании технологий управления на основе концептуального или математического моделирования можно сформулировать четкие логические посылки для выработки управленческих решений.

В общем случае процесс принятия решений подразделяют на следующие этапы:

- определение общих целей и установок по той или иной проблемной ситуации;

- изучение обстановки;

- формулирование задачи на основе концептуальной модели объекта;

- генерирование вариантов решения задачи;

- прогнозирование (мысленное имитационное моделирование) и оценивание результатов тренировки;

- выбор варианта решения задачи;

- реализация варианта решения (организация, контроль, анализ результатов).

Применение в научном исследовании или при подготовке тренеров концептуальных или имитационных моделей позволяет многократно проверять результаты генерированных решений, то есть играть.

Игрой называют вид человеческой деятельности, отражающий и воссоздающий другие ее виды. В случае использования в качестве модели спортсмена программы в ЭВМ организация имитационной игры требует выполнения следующих условий:

- к игре допускаются только те специалисты (тренеры, студенты, и т.д.), которые прошли соответствующий теоретический курс;

- процесс обучения осуществляется под руководством методиста;

- обучение имитационной игре имеет этапный характер;

- все этапы подготовки завершаются разбором решений, принятых тренером на основе протоколов выполненной исследовательской работы - имитационной управляющей игры.

Этапы имитационной игры:

- начальный - знакомство с интерьером рабочего места, расположением средств индикации и органов управления;

- специализированный этап - тренер закрепляет теоретические знания и приобретает навыки при выполнении отдельных операций на тренажере, в частности, выполняется исследование поведения системы при разных легко интерпретируемых планах тренировки;

- контрольный этап - тренер реализует в виде плана подготовки тренировочный процесс в соответствии с заданной методистом целью.

Таким образом, разработка математических имитационных моделей организма спортсмена и применение их при обучении теории физической подготовки в ходе педагогического процесса в институтах физической культуры позволит существенно повысить уровень научной дисциплины и качество подготовки специалистов.

2.4. Теоретическое направление развития теории физической подготовки спортсменов

Процесс управления возможен, если имеются: управляемый объект (спортсмен или программа в ЭВМ), блок получения информации об объекте (данные о тестировании), программный блок (у студента или специалиста в сознании должна иметься умозрительная модель, которой он может оперировать для предсказания результатов функционирования реального объекта - спортсмена), блок сравнения (сопоставления результатов умозрительного имитационного моделирования (УИМ) или математического имитационного моделирования (МИМ) с данными тестирования), блок формирования управляющих воздействий (внесение изменений в методы, средства, планы тренировочных занятий), исполнительный блок (средства управления и передачи информации спортсмену - вербальные, зрительные, тактильные и др.).

ТФП как научная (педагогическая) дисциплина должна обеспечить (цель) формирование у студентов:

- системы знаний о МОРФОЛОГИИ спортсмена (совместно с биологическими дисциплинами), об основных закономерностях адаптационных процессов в организме спортсменов в ответ на выполнение физических упражнений;

- навыков умозрительного ИМ, необходимых для конструирования методов тренировочного занятия, микроцикла, мезоцикла и многолетней тренировки.

Следовательно, повышение эффективности планирования физической подготовки спортсменов возможно на основе разработки концептуальных и математических моделей организма человека, применение которых позволяет содержательно объяснять и конструировать методы контроля, тренировки и планы физической подготовки. Поэтому основными задачами теоретического направления развития теории физической подготовки спортсменов являются следующие:

- разработка умозрительных или математических моделей для имитации адаптационных процессов в клетках органов основных систем при выполнении человеком физических упражнений.

- Разработка на основе имитационного моделирования рациональных методов тренировок, обеспечивающих целенаправленное изменение структуры клеток.

- Разработка классификации нагрузок, создаваемых физическими упражнениями, по направленности адаптационных процессов в различных органах и тканях.

- Разработка принципов планирования физической подготовки спортсменов, специализирующихся в соревновательных упражнениях, относящихся к различным зонам мощности.

При этом должны использоваться методы:

- анализ и обобщение литературных данных;

- моделирование;

- имитационное моделирование;

- планирование эксперимента;

- педагогический эксперимент.

В связи с комплексным, междисциплинарным характером ТФП могут использоваться методы смежных наук: биохимии, спортивной физиологии, морфологии и др..

Создание ТФП требует своего научного фундамента. Таким фундаментом должны быть концептуальные и математические модели, разрабатываемые в спортивной биохомии и физиологии. Рассмотрим состояние этих научных дисциплин с позиции теории развивающего обучения и методологии теоретического мышления.

2.5. Состояние спортивной биохимии

В качестве предмета для критического анализа возьмем раздел "Биохимия спорта" учебника для ИФК "Биохимия" под редакцией В.В.Меньшикова и Н.И.Волкова (1986).

Во введении автор (Н.И.Волков) формулирует цель и задачи, определяет объект и предмет научной дисциплины:

"Биохимия спорта исследует закономерности биохимических превращений в организме человека в процессе занятий физическими упражнениями. В отличие от других разделов функциональной биохимии, где биохимические процессы рассматриваются в основном на уровне отдельных органов и тканей, в биохимии спорта главное внимание уделяется изучению биохимических процессов, происходящих в целостном организме."

Из представленного определения видно, что автор - сторонник эмпирического направления исследований, поэтому раздел биохимии спорта начинается с представления сведений из гистологии мышечной ткани (строение мышцы, мышечных волокон и миофибрилл), далее идет повторение описания из общей биохимии процессов образования энергии в клетках (пока никакой биохимии спорта нет), далее приводятся эмпирические физиологические данные (потребление кислорода, выделение углекислого газа, концентрация в крови лактата и ионов водорода) с сомнительной биохимической интерпретацией (химические процессы идут в клетках, в крови можно обнаружить лишь "следы" этих реакций, которые к тому же идут в разных частях тела человека), в заключении автор вообще забывает о биохимии, излагает основы эмпирической теории физической подготовки спортсменов. Заметим, что начало раздела (описание модели мышцы - строения основного объекта биохимии спорта) было правильным, однако, в связи с неспособностью автора к теоретическому мышлению, вся эта информация так и повисла мертвым грузом в учебнике. Не получилось создания биохимии спорта еще и по той причине, что автор лишь пытался рассмотреть поведение организма как целого, но ничего из этого не получилось (эмпиризм мешает). Им же полностью упускаются из рассмотрения биохимические процессы в клетках эндокринной, иммунной, сердечно-сосудистой систем, в клетках жировой и соединительной тканей и многое другое.

Значительно ближе был к построению биохимии спорта Н.Н.Яковлев (1974) в своей монографии "Биохимия спорта", поскольку представил эмпирические биохимические данные по реакции клеток всех основных систем организма человека в ответ на физические упражнения. При этом эмпирические данные интерпретируются с упором на строение клеток, тем самым у читателя формируются концептуальные модели клеток, демонстрируется теоретический способ мышления, который, как это сейчас представляется, уже не без ошибок, однако достигается главное - формируется у читателя теоретическое биохимическое мышление!

Для уточнения предмета биохимии спорта приведем перечень проблем (вопросов), которые должна решать биохимия с точки зрения авторов трехтомника "Основы биохимии" (А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман, 1981):

- Из каких химических соединений состоят живые существа?

Биохимия спорта должна показать количественные отклонения веществ от нормы у лиц, занимающихся спортом.

- Как построены макромолекулы, входящие в состав живых организмов?

- Каким образом ферменты осуществляют свою каталитическую функцию?

- Какие вещества необходимы для удовлетворения потребностей человека в пище и какова роль их соединений? Биохимия питания в спорте - важнейшая проблема.

- Какие химические процессы обеспечивают превращение пищевых компонентов в соединения, характерные для клеток данного вида?

- Каким образом потенциальная энергия, освобождающаяся при окислении веществ, содержащихся в пище, используется для реализации множества процессов, протекающих в живой клетке с потреблением энергии? Биохимия спорта изучает химизм энергообразования в мышечных волокнах при их максимальной активации и в разных (физиологических) условиях окружающей среды (температура, давление, закисление, содержание газов в крови и пр.), и поэтому вносит свой вклад в фундамент общей биохимии.

- Как устроена клетка для осуществления химических функций?

- Что представляет собой химия наследственности?

- Как достигается гармония химических процессов?

- Каким образом химические процессы обеспечивают функционирование организма как целого?

- Какова химия иммунитета?

- Можно ли описать заболевание (в спорте - изменения) на молекулярном уровне?

Из перечня вопросов следует, что главная задача биохимии - выяснение взаимосвязи биологической функции и молекулярной структуры. Поэтому биохимии спорта можно дать следующее определение:

Биохимия спорта является частью биохимии, поэтому должна изучать химические реакции в клетках различных органов в процессе выполнения физических упражнений, а также количественные молекулярные изменения в клетках в ответ на выполнение физического упражнения, тренировки или тренировочного процесса.

Биохимия спорта должна содержать концептуальные и математические модели клеток основных органов тела человека, описывать химические процессы при их активизации и в период восстановления. Корректность теоретического мышления специалиста в области физического воспитания можно проверить только косвенно, поэтому в учебнике биохимии спорта должны быть разработаны правила для облегчения интерпретации эмпирических данных, доступных тренеру или учителю физической культуры (пульс, давление, потовыделение, изменение цвета кожи, температура, утомление, результаты контрольных тестов и др.).

Таким образом, в настоящее время (1993 г.) курса биохимии спорта, построенного с учетом теории развивающего обучения, нет.

2.6. Состояние спортивной физиологии

Физиология - наука о динамике жизненных процессов, изучает функции, т.е. процессы питания, пищеварения, кровообращения, дыхания, функционирования мышц, нервной системы, рецепторов и т.д.

В учебнике "Спортивная физиология" (под редакцией Я.М.Коца, 1986) выделяются два центральных вопроса в курсе спортивной физиологии: физиологическая характеристика различных видов спорта и физиологические механизмы адаптации организма при спортивной тренировке.

Для изучения человека как системы И.П.Павлов предложил метод "...разложения на части, изучения значения каждой части, изучения связи частей, изучения соотношения с окружающей средой и, в конце концов, понимания на основании всего этого ее общей работы и управления ею" (1949). Эта цитата сжато излагает методологию построения любой теории, в частности, построения теоретической физиологии, которая дает предпосылки для развития математической физиологии. В нашем Отечестве последовательно двигается в этом направлении коллектив, возглавляемый Н.А.Амосовым. Рассмотрим, в каком состоянии находится физиология спорта с точки зрения теоретического направления развития этой науки.

Физическая активность человека, в частности, при занятиях спортом, является предметом изучения физиологии спорта. Применение физиологических методов исследования позволило получить эспериментальные данные, которые определенным образом сгруппированы в учебнике. Основа группировки - чисто эмпирическая. Так, любое движение может быть описано в терминах теоретической механики: сила, перемещение, продолжительность. В физиологии ввели предположение, что человек обладает способностями к проявлению силы, скорости и выносливости. Это означает, что физиологические понятия не выводятся на основе знания об устройстве органов тела человека, а лишь присваиваются неким группировкам данных, объединенных по формальным (эмпирическим) правилам. Значительно ближе к теоретическому подходу относятся разделы учебника с описанием функционирования систем организма спортсменов в особых условиях внешней среды. Например, при описании процессов терморегуляции имеется, хоть и не четкое, описание моделей внешней среды и тела человека. Однако, в связи с тем, что авторы не владеют методологией теоретического исследования, даже в лучших разделах учебника нет четкого описания системы органов, участвующих в обеспечении исследуемой функции (как это делается у П.К.Анохина и К.В.Судакова), свойств элементов функциональной системы, и, как следствие, не выводятся физиологические явления и закономерности. Научить теоретическому физиологическому мышлению по такому учебнику, на наш взгляд, невозможно.

Из критического анализа следует, что главная задача теоретической физиологии - выявление функциональных систем, выяснение взаимосвязи между элементами (органами) функциональной системы, объяснение причин возникновения физиологических явлений. Поэтому физиологии спорта можно дать следующее определение.

Физиология спорта является частью физиологии, изучает функции, возникающие при взаимодействии различных органов, в ответ на выполнение физического упражнения, тренировки или тренировочного процесса.

Физиология спорта должна содержать концептуальные и математические модели основных органов тела человека, описывать процессы, происходящие в них при их активизации и в период восстановления. Корректность теоретического мышления специалист в области физического воспитания может проверить только косвенно, поэтому в учебнике физиологии спорта должны быть разработаны правила для облегчения интерпретации эмпирических данных, доступных тренеру или учителю физической культуры (пульс, давление, потовыделение, изменение цвета кожи, температура, утомление, результаты контрольных тестов и др.). Заметим, что данные наблюдения тренера не меняются, однако он должен уметь их интерпретировать, как с позиции биохимика, так и с позиции физиолога.

Таким образом, базовые научные дисциплины - биохимия спорта и физиология спорта - не содержат в себе последовательно изложенной теории, и поэтому не могут быть основой для формирования как биологического теоретического мышления, так и теории физической подготовки спортсменов. Для доказательства этого положения приведем данные педагогического исследования.

2.7. Уровень теоретического мышления специалистов физического воспитания высшей квалификации

Учебная программа ИФК включает теоретическую и практическую подготовку студентов. Теоретическая подготовка предполагает изучение фундаментальных дисциплин, дающих знания о разных сторонах биологической природы человека и фукционировании его организма. В их число входят: анатомия, морфология, физиология, биомеханика, биохимия, гигиена, спортивная медицина.

Однако в учебных планах отсутствует предмет, целью которого являлось бы объединение фундаментальных знаний в единое целое. Помимо слабости взаимосвязи и преемственности между фундаментальными дисциплинами отсутствует их связь с такими специальными предметами как теория физического воспитания, теория физической культуры, теория спортивной тренировки, теория детского и юношеского спорта, теория и методика избранного вида спорта. Все это приводит к трудности применения полученных в процессе обучения знаний в практической работе тренера, при появлении нестандартных ситуаций, при решении нестандартных задач.

Для доказательства корректности теоретического анализа был разработан компьютерный учебно-диагностический комплекс с учетом теории развивающего обучения Д.Б.Эльконина, В.В.Давыдова и работ В.В.Рубцова. Диагностика комплекса была рассчитана на выявление уровней мышления.

Эмпирический тип мышления:

Первый уровень - знание основных понятий предмета обучения. Осуществляется диагностика знаний-понятий об иммунной системе, эндокринной, мышечной, пищеварительной системам, теории физической подготовки.

Второй уровень - знание эмпирических закономерностей, взаимосвязей между явлениями.

Теоретический тип мышления:

Первый уровень - знание элементного состава объекта исследования (систем организма человека) и его структуры, типа взаимосвязи между элементами.

Второй уровень - знание основных механизмов функционирования изучаемого объекта.

Третий уровень - навыки управления изучаемым объектом с целью получения заранее запланированного результата.

Для диагностики уровней мышления были разработаны соответствующие группы вопросов с пятью вариантами ответов на каждый. Из пяти неполных и отчасти неточных ответов только один был корректным. Все вопросы и ответы были включены в специальную компьютерную программу. Программа позволяла на экране дисплея высвечивать в случайном порядке вопросы, соответствующие какому-либо уровню мышления, и после выбора ответа она производила анализ корректности поступка. После полной диагностики программа распечатывала результат тестирования по всем разделам программы (научным дисциплинам) и уровням мышления. Навыки управления - построение методики тренировки - проверялись с помощью имитационных моделей, имитирующих срочные и долговременные адаптационные процессы, происходящие в организме спортсмена.

Контролирующая программа, диагностирующая знания студентов, должна иметь удовлетворительную информативность. Для контролирующих программ особенно важна содержательная информативность. В педагогике под содержательной информативностью понимают согласованность имеющихся знаний и навыков у данной учебной группы студентов с конкретным содержанием учебного материала, находящего отражение в учебных планах, программах (Методика и организация учебного процесса с использованием контролирующих и обучающих устройств. - М., 1979). Она определяется тем, насколько вопросы и задания охватывают все те области информации и деятельности, применительно к которым должны быть проверены знания, умения, способности студентов.

При выявлении информативности устанавливается, не являются ли задания в контролирующей программе случайными, не имеются ли в ней вопросы второстепенного значения. С этой целью группой квалифицированных экспертов (преподавателей кафедры физиологии и сотрудников ПНИЛ ГЦОЛИФК) проводился опрос студентов, у которых до этого были проверены знания с помощью контролирующей программы.

Результаты экспертного опроса сопоставлялись с результатами опроса по контролирующей программе и на основе техники ранжирования рассчитывался ранговый коэффициент корреляции.

Результаты, представленные в табл. 1, показывают, что первоначальный анализ контролирующей программы выявил в ней некоторые недостатки. Часть вопросов имела второстепенное значение. Об этом свидетельствует относительно низкие коэффициенты корреляции (r=0,2-0,6).

Таблица 1.

Информативность заданий контролирующей программы, используемой в компьютерном учебно-диагностическом комплексе

После анализа состава вопросов, их редактирования и добавления новых в соответствии с требованиями экспертов к знаниям студентов результаты повторного тестирования показали высокую степень совпадения (r=0,6-0,8) требований, как экспертов, так и контролирующей программы.

Анализ использования учебной и научно-методической литературы в учебном процессе ИФК показывает, что количество данной литературы не влияет на качество подготовки специалистов в институтах физической культуры, на различных курсах повышения квалификации и в Высшей школе тренеров. Причина этого в том, что обучение, как правило, проводится по типовым тематическим программам и планам. При этом первостепенная роль в подготовке кадров отводится, как известно, информации о тех или иных предметных, но всегда разрозненных, знаниях.

Анализ литературы по теории и методике спортивной подготовки показывает (С.Д.Неверкович, И.С.Дятловская), что содержание предметных курсов, предлагаемых для усвоения, не имеет концептуальных и математических моделей и недостаточно развернуто понятийно. Поэтому оно не может являться основой для формирования обобщенных способов действия специалиста по подготовке и разрешению вопросов реальной тренерско-педагогической деятельности. Следовательно, при традиционном информационном способе передачи знаний не обеспечивается развитие мышления у обучающихся.

Помимо неудовлетворительного содержания обучения "по учебникам", далека от совершенства и форма, в которой осуществляется это обучение, подготовка кадров. Неэффективность широко распространенной лекционной формы уже достаточно очевидна, поэтому основная ставка делается сейчас на активные методы обучения, при которых обучаемые развивают самостоятельную познавательную деятельность.

Подтверждением выше сказанного являются данные естественного педагогического эксперимента, приведенные в табл. 2 и 3.

Таблица 2.

Характеристика уровня знаний различных групп испытуемых

Примечание: Группы испытуемых: 1 - ВШТ (легкая атлетика, плавание, гандбол, хоккей с мячом); 2- ВШТ (футбол);  3 - аспиранты; 4 - студенты - л/атлеты; 5 -   студенты - т/атлеты; 6 - студенты - лыжный спорт; 7 - студенты - фигурное катание, спортивная гимнастика

Таблица 3.

Сравнительная характеристика уровня знаний различных категорий учащихся ГЦОЛИФК

Примечание: Группы испытуемых: 1 - ВШТ специализации легкой атлетики, плавания, гандбола, футбола, хоккея с мячом; 2 - аспиранты; 3 - студенты специализаций легкая и тяжелая атлетика, лыжный спорт, фигурное катание, спортивная гимнастика; 4 - ФПК

Анализ данных таблиц 2 и 3, характеризующих знания учащихся различных специализаций и квалификации, показал следующее.

В целом у всех обследуемых знания находятся на уровне ниже среднего (от 3,17 до 3,37 баллов по первому уровню (понятий) эмпирического мышления и от 2,56 до 3,33 баллов по второму уровню. Вполне объяснимым и закономерным является относительное преимущество группы аспирантов по сравнению с группами ВШТ и студентов вследствие более длительной теоретической подготовки первых.

Проведенный анализ знаний по различным учебным дисциплинам показал, что относительно высокие значения выявлены в оценке знаний по мышечной системе во всех исследуемых группах (от 3,03 до 3,6 баллов). Это является следствием значительного числа учебных часов и количества информации в учебной литературе по данной системе во многих смежных дисциплинах медико-биологического профиля, а также наличие данного материла при изучении дисциплин по избранному виду спорта. Обращает внимание относительно низкие баллы во всех группах испытуемых по группе вопросов, касаемых культуры питания (от 2,89 до 3,3 баллов).

Построение учебно-методической работы в ИФК на основе соответствующих учебников, которые не содержат сведений по организации теоретического типа мышления и в которых не приводятся необходимые примеры, не дает, на наш взгляд, возможность учащимся в полной мере освоить вопросы синтеза и анализа проблемных ситуаций, возникающих в тренерской и педагогической деятельности. Этот вывод подтверждается более низкими оценками способности учащихся к теоретическому способу мышления по сравнению с эмпирическим уровнем знаний.

Анализ показывает, что ни значительный практический опыт (группы ВШТ и ФПК), ни относительно более высокий теоретический потенциал (группа аспирантов) не позволяют учащимся иметь достаточный уровень знаний, касающихся принципов моделирования физической подготовки спортсменов. Естественно, что и попытки применить имеющиеся знания при работе с имитационной моделью с целью создания микроцикла тренировки в своем избранном виде спорта являются безуспешными.

2.8. Экспериментальное обоснование эффективности теоретической подготовки специалистов по физическому воспитанию

На основе исследований в области теории познания и теории развивающего обучения были сформулированы правила написания учебников для профессиональной теоретической подготовки и чтения по ним учебного курса.

Введение в специальность. Формирует у читателя (слушателя) целостное представление об объекте и предмете исследования. Перечисляются основные явления и демонстрируется важность для профессиональной деятельности понимания сущности этих процессов. Задача введения - сформировать у читателя мотив для активной учебной деятельности. Мотив появляется с осознанием необходимости знаний в профессиональной деятельности.

Модель объекта изучения. Теоретическое мышление невозможно без построения в сознании учащегося идеальной модели объекта изучения. Объект должен быть построен на основе системного подхода, т.е. должны быть перечислены и описаны свойства (метод черного ящика используется для ограничения глубины познания объекта), все необходимые и достаточно разнородные структурные элементы системы, прослежены их взаимосвязи. Из этих элементов далее строится целостный объект - система. Описание системы позволяет в строго организованном виде передать учащимся знания, накопленные в науке о строении объекта.

При построении модели следует строго соблюдать принцип природной специфичности (нельзя придумывать те части объекта, о которых наука ничего не знает; например, "теплород" или "биополе" - слова не имеющие связи с реальным природным носителем, лишь создают видимость знания). Учет принципа оптимальности позволяет соблюсти меру между глубиной и широтой познания строения объекта, привязать модель к необходимому уровню знаний учащихся.

Основные механизмы функционирования объекта. Описываются процессы, происходящие в объекте при демонстрации им основных известных в практике явлений. При описании обязательно определяются условия существования объекта во внешней среде, а также начальные значения характеристик и параметров элементов модели объекта. Описание процессов должно сопровождаться приведением экспериментальных данных, подтверждающих справедливость умозаключений.

В тех научных дисциплинах, в которых предметом исследований являются технологии управления объектом, должны быть изложены методы контроля состояния объекта, методы управления функциональным состоянием и ресурсами, способы планирования развития процессов с учетом цели и критериев эффективности управления.

С учетом вышеназванных правил нами был разработан учебник "Общая теория физической подготовки человека", по которому создан учебный курс и проведено педагогическое исследование.

Целью педагогического эксперимента была проверка методики теоретической подготовки специалистов физического воспитания с применением учебно-диагностического комплекса для оценки уровня знаний экспериментальных групп учащихся ИФК.

В эксперименте приняло участие 35 аспирантов 2-го года обучения и 26 студентов 4-го курса специализации легкая атлетика. Эксперимент проводился с применением учебно-диагностического комплекса на компьютерах IBM PC/AT в Вычислительном центре ГЦОЛИФК и Проблемной НИЛ.

Перед началом эксперимента выполнялась проверка уровня мышления испытуемых. В каждой группе в течение 10 минут проводился инструктаж по правилам работы с персональным компьютером и по порядку работы с учебно-диагностическим комплексом. Каждый испытуемый самостоятельно в диалоговом режиме отвечал на ряд общих и специальных вопросов первой части комплекса. По каждому разделу вопросов ЭВМ выставляла оценки, исходя из пятибалльной шкалы. Далее группе испытуемых предлагалась вторая часть комплекса - имитационная модель организма спортсмена. Учащиеся должны были составить один или несколько тренировочных планов для достижения предварительно поставленной цели - спортивного результата. Тренировочный план составлялся коллективно. С помощью педагогических наблюдений (метод хронометрирования и звукозаписи) фиксировались вопросы учащихся к преподавателю, обсуждение ими различных вариантов тренировочных планов. Составленные тренировочные планы после их введения в диалоговом режиме в компьютер проверялись с помощью модели, а полученные результаты (решена ли поставленная задача или нет) фиксировались.

Далее эти группы учащихся проходили обучение, как с помощью учебно-диагностического комплекса, так и с помощью преподавателя. Обучение проводилось в виде лекционных, семинарских и практических занятий по расписанию учебного плана. Учащимся объяснялись основные принципы создания и функционирования имитационой модели организма человека, принципы воздействия различных тренировочных нагрузок и тренировочных средств на имитационную модель (т.е. на организм человека), принципы планирования тренировочного цикла, исходя из поставленной цели с учетом состояния организма спортсмена. При обучении широко использовалась самостоятельная работа учащихся с учебно-диагностическим комплексом с применением как блока обучения, так и блока диагностики.

Таблица 5.

Характеристика эффективности экспериментальной методики обучения студентов ГЦОЛИФК специализации легкая атлетика (n=26)

Примечание: * - из 2-х составленных планов тренировки один привел к "гибели" спортсмена, другой не дал никакого изменения в результатах; ** - были составлены два успешно реализованных плана тренировки (для тренировки спринтеров и бегунов на средние дистанции).

После курса обучения было проведено повторное тестирование учащихся с помощью учебно-диагностического комплекса по схеме, описанной выше (табл. 4, 5).

Результаты эксперимента показали, что, как в группе студентов, так и в группе аспирантов произошли статистически достоверные изменения (р<0,05) на всех уровнях знаний. Как следствие, это привело к положительному результату в работе с имитационной моделью при построении микроциклов тренировки.

Анализ результатов модельного эксперимента, а также опросы, проводимые после эксперимента, показали, что учащиеся приобретают навыки теоретического мышления. В своей учебе по планированию физической подготовки они приобрели следующие навыки для использования в своей дальнейшей работе:

- навык моделирования организма спортсмена, что дает возможность взглянуть на свою работу шире, во всех основных аспектах целостностной профессиональной деятельности;

- навык выбора средств физической подготовки после проведения глубокого анализа профессиональных ситуаций;

- навык разработки методов и планов тренировки с теоретической оценкой возможных последствий своих решений.

Компьютерный учебно-диагностический комплекс является не только средством диагностики сформированности профессиональных умений и навыков по организации подготовки спортсменов, но также способом сознательного целесообразного использования теоретических знаний, обеспечивающих практику. Следовательно, обучаемые получают способ для развития процессов саморазвития и самосовершенствования.

В модельном эксперименте также была предусмотрена проверка эффективности традиционных методов обучения (лекционные и семинарские занятия) и экспериментальной методики обучения (с использованием имитационного моделирования, реализованного в виде компьютерного учебно-диагностического комплекса). Результаты этой части эксперимента представлены в табл. 6.

Таблица 6.

Характеристика качества знаний учащихся при использовании традиционных и экпериментальной методик обучения

Примечание: * - план составлен только группой лыжников; ** - план составлен только группой футболистов; *** - были составлены 2 успешных варианта тренировки (спринт, выносливость).

Группы испытуемых: 1- студенты специализаций фигурное катание, гимнастика, лыжный спорт, тяжелая атлетика (n=47); 2 - ВШТ специализаций легкая атлетика, гандбол, фехтование, плавание, хоккей с мячом (n=27); 3 - аспиранты (n=35); 4 - студенты специализации легкой атлетики (n=26).

Результаты анализа эксперимента показали, что уровень знаний учащихся, прошедших обучение по экспериментальной методике, достоверно отличается от уровня знаний учащихся, обучающихся по традиционной методике.

Таким образом, получена положительная экспертная оценка применения методики имитационного моделирования в рамках компьютерного учебно-диагностического комплекса при организации занятий по освоению знаний о принципах моделирования физической подготовки в различных видах спорта на основе теории развивающего обучения.

Внедрение теории развивающего обучения в педагогическую практику идет с большим трудом. Основным препятствием на этом пути является отсутствие четко определенных принципов (правил) для разработки технологии педагогического процесса.

Анализ проблемы философии научного познания показал, что каждая наука и любое научное исследование в своем историческом развитии проходят две стадии развития - эмпирическую и теоретическую. На эмпирической стадии объекты изучения рассматриваются как "черные ящики", учитываются входные и выходные характеристики его функционирования в определенных условиях окружающей среды. На эмпирической стадии развития исследования в сознании ученого не происходит понимания сущности явлений, следовательно, нет места диалектике. При передаче эмпирических знаний дидактика, основанная на теории развивающего обучения, невозможна.

Преодоление эмпиризма, переход к изучению внутреннего строения объекта, к проектированию его поведения на основе моделирования создает основу для построения теории. В этом случае в полной мере реализуется диалектика как методологическая основа развития объектов материального мира. Сущность явлений выводится на основе понимания законов взаимодействия элементов модели объекта между собой и с внешним миром. Вывод сущности явлений составляет основное звено в дидактике теории развивающего обучения.

Таким образом, теория развивающего обучения может успешно внедряться в практику педагогической деятельности только в случае наличия развитой научной дисциплины, т.е. науки, находящейся на теоретической стадии развития, которая предоставляет педагогу модель изучаемого объекта, состоящую из элементарных идеальных клеточек, объединенных между собой в устойчивую структуру, явления и свойства реального объекта выводятся чисто умозрительно, благодаря мысленному имитационному моделированию.

Педогогический процес - управленческий процесс, поэтому он должен включать этапы:

- мотивация деятельности;

- предварительное знакомство с ситуацией (объектом и внешней средой) и выработка цели деятельности;

- уточнение модели для имитационного моделирования;

- имитационное моделирование (разработка способов достижения цели);

- контроль результатов решений на основе изучения состояния объекта и критериев достижения поставленной цели;

- отчет о результатах управленческого процесса.

Все этапы управленческого процесса должны выполняться в умственном плане, однако по мере усложнения модели объекта возрастает вероятность качественных и количественных ошибок, допускаемых как преподавателем и, тем более, учеником. Для устранения этого следует использовать компьютерные имитационные модели, которые в педагогическом процессе должны заменять реальный объект. Учащиеся и преподаватель должны предсказывать (проектировать) изменения в состоянии объекта при заданных начальных условиях внешней и внутренней среды, а решение компьютера выступает как практика - критерий истинности суждений. В этом случае ЭВМ выступает как неотьемлемый участник педагогического процесса, основанного на теории развивающего обучения. Следовательно, учебники должны содержать описание методологии математического моделирования и описание математических моделей, выступающих в качестве объектов педагогической деятельности.

Анализ развития теории физической подготовки показал, что эта научная дисциплина еще не вышла из стадии эмпирического развития. Виной тому являются не только специалисты физического воспитания, но и биохимики, и физиологи спорта. Изучение учебников показывает, что их содержание либо полностью не соответствует предмету изучения (биохимии спорта в ИФК по учебнику В.Меньшикова и Н.Волкова учить нельзя, там ее нет), либо выполнено на эмпирическом уровне (спортивная физиология).

Экспериментальное изучение уровней мышления студентов, аспирантов и специалистов по физическому воспитанию показало наличие у них представлений о понятиях, применяемых в ходе обучения, и полное отсутствие способности к теоретическому мышлению с использованием абстрактных (идеальных) моделей.

Применение в учебном процессе дидактики, основанной на теории развивающего обучения, математическом моделировании с применением компьютера для контроля за истинностью суждений и умозаключений, достоверно повысило качество подготовки специалиста.

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И
ПЛАНОВ ФИЗИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ
СПОРТСМЕНОВ НА ОСНОВЕ
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

AG - антигены

AT - антитела

Ca - ион кальция

CO₂ - углекислый газ

E - приход энергии

E_z - затраты энергии

Fat - жир

H - ион водорода или протон

MG - масса условной железы

O₂ - кислород

pH - показатель концентрации водородных ионов

Pir - пируват

АДФ (ADP) - аденозиндифосфорная кислота

АКТГ - адренокортикотропный гормон

АМФ (AMP) - аденозинмонофосфорная кислота

АнП - анаэробный порог

АсК-А (ACoA) - ацетил-коэнзим-А

АТФ (ATP) - аденозинтрифосфорная кислота

АэП - аэробный порог

БМВ - быстрое МВ

ВАнП - вентиляционный АнП

ВАэП - вентиляционный АэП

Г-Рр - комплекс Г-Рр

Г (G) - гормон

Гл (Gl) - гликоген

ГМВ - гликолитическое мышечное волокно

ДЕ - двигательная единица

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ДС - дыхательная система

и-РНК - информационная РНК

И (I) - интенсивность

ИМ - имитационное моделирование

ИС - иммунная система

К - капилляры

Кр (Cr) - креатин

КрФ (CrP) - креатинфосфат

КфК (KpK) - креатинфосфокиназа

ЛДГ-С - лактатдегидрогеназа сердечного типа

ЛДГ-М - лактатдегидрогеназа мышечного типа

МАМ - максимальная алактатная мощность

МБС - максимальная быстрая сила

МВ - мышечное волокно

Мг - миоглобин

МИМ - математическое имитационное моделирование

МК (La) - молочная кислота (лактат)

ММВ - медленное МВ

Мо - мочевина

МПК - максимальное потребление кислорода

МПС - максимальная произвольная сила (Fmax)

МУН - метод углеводного насыщения

МФ (MF) - миофибрилла

МХ - митохондрия

ОАСС - общий адаптационный синдром Селье

ОФ - окислительное фосфорилирование

П - продолжительность

ПМ - произвольный максимум

ПМВ - промежуточное МВ

ПЭМГ - поверхностная ЭМГ

р-РНК - рибосомальная РНК

РНК - рибонуклеиновая кислота

Рр - рецептор

Рт - результат

СДГ - сукцинатдегидрогеназа

СЖК - свободные жирные кислоты

СПР - саркоплазматический ретикулум

ССС - сердечно-сосудистая система

т-РНК - транспортная РНК

ТФП - теория физической подготовки

УИМ - умозрительное имитационное моделирование

Ф (P) - неорганический фосфат

ФФК - фосфофруктокиназа

ц-АМФ - 3,5-циклический аденозинмонофосфат

ЦНС - центральная нервная система

ЧСС - частота сердечных сокращений

Э - эффективность

ЭАнП - электромиографический АнП

ЭАэП - электромиографический АэП

ЭМГ - электромиограмма

ЭС - эндокринная система

ВВЕДЕНИЕ

Теория физического воспитания - наука об общих закономерностях, определяющих содержание и формы построения физического воспитания как педагогически организованного процесса, органически включенного в общую систему воспитания человека. Физическая подготовка является основополагающей стороной содержания физического воспитания, призванной для развития физических возможностей. Эта сторона физического воспитания связана с выполнением физических упражнений, вызывающих определенные физические нагрузки, после чего возникают морфофункциональные перестройки в системах и органах спортсмена (Л.П.Матвеев, 1977).

Наиболее полно теория физической подготовки (ТФП) была впервые изложена в монографии Л.П.Матвеева "Основы спортивной тренировки". Физическая подготовка рассматривалась как раздел курса, в котором приводились только методы воспитания силовых, скоростных, выносливостных способностей и гибкости. Особенностью изложения материала было то, что приводилось описание только обобщений эмпирического опыта. В учебнике можно найти ответы на вопросы типа "как тренироваться?" и полностью отсутствует материал, с помощью которого можно было бы ответить на вопросы "что тренируется?" и "почему требуется именно данное рекомендуемое средство и методика тренировки?". Большинство специалистов понимает, что теория физической подготовки не может развиваться в стороне от достижений спортивной биологии, поэтому, начиная с 80-х годов, ведутся упорные попытки привлечения биологической информации для обоснования эмпирических закономерностей построения спортивной тренировки.

Процесс управления возможен, если имеются управляемый объект (спортсмен или программа в ЭВМ), блок получения информации об объекте (данные о тестировании), программный блок (у студента или специалиста в сознании должна иметься умозрительная модель, которой он может оперировать для предсказания результатов функционирования реального объекта - спортсмена), блок сравнения (сопоставления результатов УИМ или МИМ с данными тестирования), блок формирования управляющих воздействий (внесение изменений в методы, средства, планы тренировочных занятий), исполнительный блок (средства управления и передачи информации спортсмену - вербальные, зрительные, тактильные и др.). Поэтому, как научная (педагогическая) дисциплина ТФП должна обеспечить формирование у студентов:

системы знаний о МОРФОЛОГИИ спортсмена (совместно с биологическими дисциплинами);

представление об основных закономерностях адаптационных процессов в организме спортсменов в ответ на выполнение физических упражнений;

навыков умозрительного ИМ, необходимых для конструирования методов, тренировочного занятия, микроцикла, мезоцикла и многолетней тренировки.

Следовательно, повышение эффективности планирования физической подготовки спортсменов высшей квалификации возможно на основе разработки концептуальных и математических моделей организма человека, применение которых позволяет содержательно объяснять и конструировать методы контроля, тренировки и планы физической подготовки. Поэтому основными задачами теоретического направления развития общей теории физической подготовки спортсменов являются следующие:

- Разработка умозрительных или математических моделей для имитации адаптационных процессов в клетках органов основных систем при выполнении человеком физических упражнений.

- Разработка на основе имитационного моделирования рациональных методов тренировок, обеспечивающих целенаправленное изменение структуры клеток.

- Разработка классификации нагрузок, создаваемых физическими упражнениями по направленности адаптационных процессов в различных органах и тканях.

- Разработка принципов планирования физической подготовки спортсменов, специализирующихся в соревновательных упражнениях, относящихся к различным зонам мощности.

При этом должны использоваться следующие методы:

- анализ и обобщение литературных данных,

- моделирование,

- имитационное моделирование,

- планирование эксперимента,

- педагогический эксперимент.

В связи с комплексным, междисциплинарным характером ТФП могут использоваться методы смежных наук: биохимии, спортивной физиологии, морфологии и др.

В этом учебном пособии излагаются некоторые основные разделы общей теории физической подготовки.

В мире существует множество видов спорта и других вариантов двигательной активности. Любая физическая активность характеризуется своими специфическими двигательными действиями, например, у велосипедиста главным образом активны мышцы ног, у гребца на байдарке - мышцы рук и туловища, борец в ходе поединка использует практически все скелетные мышцы. Объединяет эти виды физической активности следующее:

- активность мышц обеспечивается поставкой кислорода и отводом продуктов метаболизма с помощью сердечно-сосудистой (ССС) и дыхательной систем (ДС);

- активация мышц идет из центральной нервной системы (ЦНС);

- все скелетные мышцы включают в свой состав мышечные волокна (МВ), сгруппированные в соответствии с иннервацией в двигательные единицы (ДЕ).

Следовательно, если рассматривать идеальную модель, которая включает в себя ЦНС, ССС, ДС, мышцу, а также эндокринную (ЭС) и иммунную (ИС) системы, то можно описать наиболее общие реакции организма человека на физическую активность. С помощью такой модели нельзя разрабатывать методы тренировки для конкретного вида спорта, поскольку в этом случае необходимо знать, какие мышцы активны, каков характер их работы и многое другое, однако можно разработать наиболее общие методы тренировки, принципы планирования нагрузок, обеспечивающие целенаправленное развитие физических возможностей человека, т.е. построить общую теорию физической подготовки. При разработке теорий физической подготовки для конкретных видов физической активности будут формироваться прикладные теории физической подготовки.

1.1. Описание модели организма человека

Научно-исследовательская работа биохимиков, гистологов, физиологов ведет к разработке концептуальной модели организма человека. Специалист по теории физического воспитания должен владеть знаниями по биохимии и физиологии мышечной деятельности, однако изучать должен влияние методики применения физических упражнений на развитие двигательных способностей спортсмена.

Здесь нет необходимости повторять содержание учебников биохимии, физиологии. Предполагаем, что концептуальная модель у читателя уже сформирована. С этого момента можно было бы начать последовательное изложение ТФП, однако концептуальная модель не позволяет получать количественных оценок, корректность логических посылок не всегда удается доказать, поэтому необходимо разрабатывать математические модели, реализовывать их в виде алгоритмов в ЭВМ и затем с помощью имитационного моделирования обосновывать корректность теоретических высказываний.

1.2. Модель для имитации процессов срочной адаптации

Выполнение физического упражнения вызывает активизацию работы мышц, т.е. рекрутирование МВ. В активных МВ разворачивается цепь биохимических реакций, продукты которых выходят в кровь и вызывают активизацию деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Следовательно, для описания основных процессов адаптации организма человека на выполнение физического упражнения необходимо разработать модель, включающую ЦНС, мышцу, ССС и ДС.

1.2.1. Модель центральной нервной системы

Спортсмен управляет своими мышцами благодаря передаче нервных импульсов из ЦНС по нервам. В этой модели ЦНС моделируется "черным ящиком", на вход которого "поступает" потребность спортсмена в выполнении упражнения с определенной механической интенсивностью (от 0 до 100%), а на выходе к мышце идет информация о степени активации мышцы. Активация мышцы должна обеспечить выполнение задания и в случае невозможности его выполнения мышца должна функционировать с возможной максимальной мощностью. Информация о реальной величине механической мощности, выполняемой мышцей, поступает в ЦНС (обратная связь), где производится сравнение с потребной мощностью и в зависимости от знака и величины различия определяется управляющее воздействие на мышцу.

1.2.2. Модель мышцы

Мышца включает определенную совокупность мышечных волокон. Мышечные волокна различаются между собой. Их можно классифицировать по АТФ-азной активности, по активности ферментов окислительного фосфорилирования или гликолиза. При классификации по АТФ-азе удается разделить мышцы на быстрые и медленные. Этот фактор необходимо учитывать при определении специализации спортсмена. При классификации по сукцинатдегидрогеназе (СДГ), одному из митохондриальных ферментов, определяется мощность аэробных процессов в мышечном волокне. Сопоставление активности ферментов окислительного фосфорилирования и гликолиза позволяет разделить все мышечные волокна на две группы: окислительные и гликолитические. Окислительные это МВ, в которых при максимальной мощности гликолиза весь пируват перерабатывается в ацетилкоэнзим-А (АцК-А), который поступает в митохондрии для образования АТФ в ходе ОФ, в ОМВ содержится лактатдегидрогеназа-Н (ЛДГ-Н), которая с большей скоростью превращает лактат в пируват.

Гликолитические - это МВ, в которых при максимальной мощности гликолиза образуется столько пирувата, что имеющихся запасов мощности трансформации пирувата в АцК-А и окислительного фосфорилирования недостаточно, поэтому пируват преобразуется в лактат. Лактат накапливается МВ и выходит в кровь. ГМВ содержат в большом количестве фермент ЛДГ-М, который имеет более высокую скорость превращения пирувата в лактат.

Математическая модель включает "n" МВ, все они моделируются одинаковыми математическими выражениями, однако в ММВ введены коэффициенты, обеспечивающие аэробный гликолиз, в ПМВ - равенство между аэробным и анаэробным гликолизом, в БМВ - значительное преобладание анаэробного гликолиза над аэробным.

Каждое МВ моделируется десятью дифференциальными уравнениями. Они описывают потоки энергии, поступающие для ресинтеза АТФ от КрФ, для ресинтеза КрФ от АцК-А (окислительного фосфорилирования) и гликолиза. Пополнение этих субстратов идет из запасов жира, гликогена и лактата.

Опишем математическую модель.

Хорошо известно, что мышечная активность есть результат преобразования химической энергии, содержащейся в АТФ, в механическую энергию сокращения миофибрилл. Поэтому между концентрацией АТФ и механической мощностью должна быть зависимость, описываемая уравнением Михаэлс-Ментена или экспонентой.

Конечными продуктами при использовании энергии фосфогенов являются АДФ, Кр, Ф, а также определенная динамика протонов (Н). В ходе аэробных процессов, по данным П.Хачачки и Дж.Сомеро (1988), в клетке при ресинтезе АТФ наблюдается потребление протонов, а в ходе анаэробного гликолиза их образование.

Математическая модель МВ имеет следующее выражение.

ATP/dt = K2 - K1

(1)

CrP/dt = K3 + K4 - K2

(2)

Gl/dt = K7 + K16 - K10

(3)

Aco-A/dt = K9 + K6 - K4

(4)

Fat/dt = K15 - K6

(5)

Pir/dt = K5 + K10 - K9 - K8

(6)

La/dt = K8 + K13 - K5 - K7

(7)

H/dt = K3 + K14 - K4

(8)

O₂/dt = K11 - K4

(9)

CO₂/dt = K4 + К12

(10)

Это ведет к постепенному снижению рН. Л.Хермансен (1981) предположил, что увеличение концентрации ионов Н ведет к ингибированию ферментов фосфофруктокиназы, фосфорилазы, а также к угнетению активации кальцием процесса образования актин-миозиновых мостиков. Предполагается, что ацидоз является причиной снижения мощности мышечного сокращения, т.е. утомления мышцы.

Исследования регуляции мышечной активности показывают, что напряжение мышцы зависит от частоты импульсации, поступающей к каждому МВ, и количества рекрутированных МВ. Основным механизмом управления является рекрутирование ДЕ (МВ). Заметим, что по мере рекрутирования более высокопороговых ДЕ, ранее активированные МВ возбуждаются импульсами с такой частотой, что достигается состояние гладкого тетануса - МВ функционируют с максимальной механической мощностью. Поэтому в модели МВ может находиться только в двух состояниях - покое и максимальной активности (i=0 или 1).

Математически эти биохимические реакции (скорость расхода АТФ) могут быть описаны так:

K1 = c1 x  i x 1 / (1 + H) x ATP / ATPmax,

где с1 - максимальная скорость расхода АТФ. Видно, что рост концентрации ионов Н или снижение концентрации АТФ ведет к снижению скорости расхода АТФ.

При использовании АТФ для работы мостиков возникает проблема ресинтеза АТФ. В эксперементе было показано, что ингибирование КрК ведет к быстрому утомлению мышцы. Молекул АТФ, расположенных рядом с миофибриллами, хватает лишь на 3-4 сокращения. Этот факт свидетельствует о наличии диффузионного барьера, препятствующего поступлению АТФ к АТФ-азе миозина. Доставка энергии в виде высокоэнергетического фосфата в МВ обеспечивается КрФ шунтом. Суть этого механизма сводится к тому, что появившаяся молекула АДФ тут же, рядом с головкой миозина, превращается с помощью креатинкиназы в АТФ. Поэтому в МВ накапливается Кр и неорганический Ф, а концентрация АТФ должна лишь незначительно снизиться. Запасы КрФ в пять, десять раз превышают содержание АТФ в МВ, поэтому вероятность ресинтеза АТФ высокая. Свободный КР и Ф диффундируют, т. е. распространяются по клетке и затем ресинтезируются либо при участии митохондрий, либо гликолиза.

Математически скорость ресинтеза АТФ будет иметь вид:

K2 = c2 x CrP / CrPmax x (1 - ATP / AТP_max),

где с2 - максимальная скорость ресинтеза АТФ за счет запасов КрФ. Видно, что снижение концентрации КрФ (CrP) уменьшает скорость ресинтеза, а увеличение концентрации АТФ тормозит ее ресинтез.

Восстановление запасов КрФ идет по двум каналам: окислительное фосфорилирование и гликолиз. Активизация распада гликогена связана с нервными процессами, деполяризацией мембраны МВ и выходом Са из саркоплазматического ретикулума. Активация первого этапа гликолиза связана с деятельностью фермента фосфофруктокиназы. Регуляторная функция фермента связана с концентрациями фруктоза-6-фосфата (Ф-6-Ф) и АТФ. Во время кратковременной интенсивной работы уровень Ф-6-Ф по мере активации гликолиза повышается. Ингибирование фермента ФФК-азы связано с увеличением концентрации ионов Н. При появлении в саркоплазме свободного Кр и Ф начинается ресинтез КрФ за счет имеющегося АТФ, поэтому в саркоплазме появляется АДФ. При наличии рядом с АДФ ферментов гликолиза происходит активация расщепления гликогена. Очевидно, что запасы гликогена (Gl) прямо влияют на интенсивность гликолиза. Пируваткиназа является следующим после фосфофруктокиназы ферментом гликолиза, действие которого подчинено регуляторному контролю. Повышение концентрации пирувата связано с замедлением скорости его образования. Ингибирующим действием обладает - повышенная концентрации АТФ. Следовательно, скорость ресинтеза КрФ с помощью механизма гликолиза может быть представлена в следующем виде:

K3 = c3 x (1 - La/La_max) x (1 - CrP/CrP_max) x (1 - Pir/Pir_max) x Gl/Gl_max,

где с3 - максимальная скорость ресинтеза КрФ в ходе гликолиза. Анализ уравнения показывает, что увеличение концентрации La (коррелирует с концентрацией Н) или КрФ, или пирувата (Pir) ведет к ингибированию гликолиза, а рост концентрации гликогена к росту его интенсивности.

Окислительное фосфорилирование - второй путь ресинтеза КрФ. Считается общепризнанным, что креатинфосфат и креатинфосфокиназа играют важную роль в процессах аэробного энергообеспечения сердца и скелетных мышц. Митохондриальная КФК-за связана с наружной поверхностью внутренней мембраны митохондрии. Появление рядом с митохондрией свободного Кр и Ф приводит к активизации ОФ. АТФ, вырабатываемая митохондрией, тут же идет на ресинтез КрФ, а образовавшаяся АДФ поступает внутрь митохондрии в межмембранное пространство к КФК-зе. В окислительном фосфорилировании принимает участие ацетил-коэнзим-А (ACo-A) и кислород (О₂). Фермент ОФ - сукцинатдегидрогеназа (СДГ) находится во внутренней митохондриальной мембране, все остальные ферменты растворены в матриксе. Основные механизмы регуляторного контроля ОФ связаны с отношением концентраций (АТФ/АДФ), (ACo-A/ACo-A_max), АМФ и др. Когда эти отношения высоки, поток энергии через цикл ОФ замедлен. Следовательно, можно записать:

K4 = c4 x (1 - CrP / CrP_max) x Aco-A /Aco-A_max x O₂ / O_2max,

где с4 - максимальная скорость ОФ, зависит также от типа МВ. Из уравнения видно, что увеличение концентрации КрФ тормозит ОФ, а рост концентрации ацетил-коэнзима-А и парциального давления кислорода в МВ способствует интенсификации ОФ.

Процесс образования лактата из пирувата и противоположный процесс проходят с участием фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Различают две формы ЛДГ: М и Н для скелетной мышцы и сердца соответственно, однако бывают также гибриды МН. В ММВ содержится по преимуществу ЛДГ сердечного типа, а в БМВ - мышечного. Поэтому в ММВ идет по преимуществу преобразование лактата, поступающего из крови в пируват, а в БМВ пируват преимущественно трансформируется в лактат. Эти процессы математически могут быть описаны так:

K5 = c5 x (1 - Pir / Pir_max) x La / La_max,

K8 = c8 x Pir / Pir_max x (1 - La / La_max),

здесь с5 - максимальная скорость образования пирувата из лактата, с8 - максимальная скорость образования лактата из пирувата. Величины этих коэффициентов задаются с учетом типа МВ.

Свободные жирные кислоты проникают в МВ и при повышении их концентрации могут ингибировать метаболизм глюкозы. Метаболизм СЖК, в свою очередь, угнетается при повышении концентрации эндогенного или экзогенного лактата. Скорость поглощения СЖК увеличивается при снижении их концентрации в ходе выполнения физического упражнения. Концентрационный градиент определяет скорость диффузии СЖК в клетку. Запаса жира в клетке, как правило, достаточно, поэтому при анализе срочных адаптационных процессов можно допустить их неограниченность.

Математически скорость образования ацетил-коэнзим-А из свободных жирных кислот можно описать:

K6 = c6 x (1 - La / La_max) x (1 - ACo-A / ACo-A_max) x Fat / Fat_max,

где с6 - максимальная скорость образования ацетил-коэнзим-А из свободных жирных кислот. В математической записи учтено ингибирующее влияние лактата, интенсивность окислительного фосфорилирования и запасы жира.

При выполнении физического упражнения синтез гликогена в МВ приостанавливается, это обусловлено появлением адреналина и повышением концентрации АДФ, АМФ, Ф. В покое синтез гликогена идет с низкой скоростью и активируется глюкозо-6-фосфатом, инсулином и концентрацией гликогена в МВ.

Математически это можно описать так:

K7 = c7 x CrP / CrP_max x La / La_max x (1 - Gl / Gl_max),

где с7 - максимальная скорость синтеза гликогена в МВ. В уравнении учитывается с помощью изменения концентрации КрФ активность МВ, уменьшение его концентрации ведет к снижению синтеза гликогена. Предполагается, что синтез может идти как из лактата, так и из глюкозы крови.

Выше уже было показано, что пируват проникает в митохондрии и затем трансформируется в ацетил-коэнзим-А, который поступает в цикл лимонной кислоты. Поэтому математическая запись может иметь следующий вид:

K9 = c9 x Pir / Pir_max x (1 - ACo-A / ACo-A_max),

где с9 - максимальная скорость превращения пирувата в ацетил-коэнзим-А.

Скорость образования пирувата из гликогена и глюкозы пропорцианальна скорости ресинтеза КрФ в ходе гликолиза,поэтому можно записать:

К10 = с10 x К3,

где с10 - коэффициент пропорциональности. В МВ при функционировании накапливается лактат,Н, СО₂, уменьшается парциальное давление кислорода О₂. При записи уравнений было предположено, что эти вещества диффундируют по концентрационному градиенту. По отношению к Н, О₂ и СО₂ это справедливо, а в отношении лактата это предположение не вполне корректно, поскольку известно, что существуют механизмы активного его транспорта через мембраны. В этой модели этот механизм пока не учитывается.

Математически обмен веществ МВ с кровью можно описать:

К11 = с11 x (O_{2 a} - O_{2 mf}),

K12 = c12 x (CO_{2 a} - CO_{2 mf}),

K13 = c13 x (La_a - La_mf),

K14 = c13 x (H_a - H_mf),

где а - концентрация веществ в артериальной крови, mf - концентрация веществ в МВ.

Описанная выше модель во многом согласуется с моделью R.Маргариа (1976), R.Morton (1985, 1986, 1987) и В.Уткина (1983). Эти авторы построили идейно одинаковые математические модели, описывающие ход биохимических реакций во всем теле человека. Причем тело было смоделировано в виде трех емкостей, заполненных фосфогенами, гликогеном и жиром. В нашем случае модель выглядит сложнее, но главное различие связано с тем, что все биохимические процессы идут именно там, где они имеют место в реальности - в мышечном волокне. Включение в модель нескольких МВ, которые рекрутируются, согласно правила Е.Ханнемана (1965), позволило учесть в модели не только биохимические закономерности, но и физиологические. Последнее обстоятельство является принципиальным и вносит элемент новизны.

1.2.3. Модель сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Одной из основных функций ССС и ДС является транспорт кислорода из атмосферы в легкие, из легких в кровь, из крови в мышцы; углекислого газа из мышц в кровь, из крови в легкие, из легких в атмосферу. В ходе выполнения физических упражнений продукты метаболизма La, H проникают из мышц в кровь. Здесь ионы Н взаимодействуют с буферными системами крови, что ведет к образованию дополнительного количества СО₂. Лактат проникает в кровь и становится субстратом окисления прежде всего в сердце и диафрагме. Математически взаимоотношения между атмосферой, кровью, мышцей представлены в системе дифференциальных уравнений:

O₂т / dt = МОК x (О2л - О₂т) - К11 - К15

(1)

О₂л / dt = МОД x (20,0 - О₂л) + МОК x (О₂т - О₂л)

(2)

СО₂т / dt = S K12 + МОК x (СО₂л - СО₂т) + К16

(3)

СО₂л / dt = МОК x (СО₂т - СО₂л) + МОД x (0,03 - СО₂л)

(4)

La т / dt = К13 + К17 - К18

(5)

Н т / dt = К14 - К19 - К20

(6)

В первом уравнении описано изменение парциального давления О₂ в тканях тела.

К11 - скорость потребления кислорода всеми мышечными волокнами;

К15 = О₂R + O₂B + O₂C, где О₂R - потребление кислорода неактивными тканями;

О₂В = с1 x МОД³ - потребление кислорода диафрагмой и другими мышцами, участвующими в процессе дыхания;

МОД = c₂ x (1 - O₂т / О_{2 т мах}) x Н / Н_мах - легочная вентиляция, определяется концентрацией кислорода и ионов Н в крови, проходящей через дыхательный центр, другие факторы - концентрация СО₂ коррелирует с неметаболическим излишком СО₂, нервные влияния в модели не учитываются; гуморальные факторы имеют важное значение в гипервентиляции - эксперименты Н.Stanley e.a. (1985) с 2-минутной окклюзией сосудов нижних конечностей при педалировании на велоэргометре с интенсивностью (И) 98 Вт показали значительное усиление дыхания (ЛВ) после прекращения окклюзии,

О₂С = с3 x МОК - потребление кислорода пропорционально минутному объему кровообращения,

МОК = С4 x (1 - О₂т / О_{2 т мах}) x Н / Н_мах - в модели регулирование МОК связано с влиянием парциального давления кислорода и ионов Н на хеморецепторы дуги аорты и каротидного синуса, нервные и гормональные влияния не учитываются, поскольку в условиях мышечной деятельности их действие коррелирует с учтенными показателями.

Первое слагаемое в правой части уравнения описывает приход кислорода с артериальной кровью и возврат кислорода с венозной кровью в легкие.

Второе уравнение описывает процесс транспорта кислорода в легких. Скорость изменения парциального давления в легких определяется МОД и разностью в содержании кислорода в атмосферном воздухе и выдыхаемом, МОК и разностью в содержании кислорода в артериальной и венозной крови.

Третье уравнение описывает изменение парциального давления углекислого газа в тканях тела. Первое слагаемое К12 правой части уравнения представляет суммарный выход СО₂ из всех МВ, второе - приход и уход с кровью СО₂, третье - образование СО₂ при работе сердца, дыхательных мышц и при буферировании проникающих в кровь ионов Н.

К16 = К15 + с5 x Н / Н_мах,

здесь предполагается, что потребление кислорода миокардом и дыхательными мышцами равно образованию СО₂, так как при тяжелой мышечной работе субстратом окисления являются углеводы - гликоген и лактат.

Четвертое уравнение описывает процесс изменения парциального давления СО₂ в легких.

Пятое уравнение описывает изменение концентрации лактата в тканях тела и крови. Первое слагаемое представляет скорость обмена лактата МВ с кровью, второе - скорость образования лактата в кишечнике, третье - потребление лактата миокардом и дыхательными мышцами:

К18 = К15 x La

Шестое уравнение описывает изменение концентрации ионов Н в тканях тела. Первое слагаемое правой части уравнения представляет обмен ионами водорода между МВ и кровью, второе - элиминацию ионов Н при буферировании, третье - поглощение ионов водорода при аэробном метаболизме в миокарде и дыхательных мышцах:

К19 = с6 x с5 x Н / Н_мах

К20 = с7 x К15

Решение системы дифференциальных уравнений выполняется численно методом Эйлера на компьютере типа IBM РС/АТ. На вход модели надо подать: процент окислительных МВ, величину механической интенсивности (мощности) упражнения в процентах от, продолжительность упражнения. На выходе, т.е. на экране дисплея появляются текущие результаты расчетов: концентрации веществ в мышце и отдельных мышечных волокнах, в частности - АТФ, КрФ, Н, La, пирувата, ацетил-коэнзим-А, а также физиологические показатели - потребление кислорода, легочная вентиляция, частота сердечных сокращений, показатель рекрутирования МВ или аналог электромиограммы, мощность, продуцируемая мышцей.

Имитационное моделирование показало, что система дифференциальных уравнений решается и обладает устойчивостью при любых допустимых возмущениях, т.е. при любых физиологически значимых изменениях входных характеристик.

1.3. Моделирование процессов долговременной адаптации

Долговременная адаптация связана с морфологическими изменениями в тканях и органах, возникающими в ответ на двигательную деятельность в тренировочных и соревновательных условиях. Для описания процессов долговременной адаптации можно использовать функциональную систему (по П.К.Анохину), которая включает ЦНС, эндокринную систему, иммунную систему, мышцу.

1.3.1. Модель эндокринной системы

Развитие долговременной адаптации в процессе физической тренировки связывают с действием стрессов (стресс - состояние организма, характеризующееся развертыванием общего неспецифического механизма приспособления, чем обеспечивается положительный фон для осуществления гомеостатических реакций и мобилизуются защитные способности организма). Стрессы вызывают совокупность стереотипных ответных реакций организма. Г.Селье (1972) назвал их общим адаптационным синдромом (ОАС). Различают три стадии реакции адаптации:

- стадия тревоги, повышается секреция адреналина, кортикотропина, кортикоидов;

- стадия резистентности возникает после многократного или продолжительного действия стрессора, характеризуется повышением сопротивляемости организма к стрессору;

- стадия истощения развивается при чрезмерной интенсивности и (или) длительности стрессора.

Управление адаптационными процессами осуществляется ЦНС. По мере нарастания силы и продолжительности психического напряжения активируется деятельность структур мозга: гипоталамуса, ретикулярной формации, миндалевидного комплекса и гиппокампа. В ответ интенсифицируется деятельность гипофиза, гормоны передней доли гипофиза регулируют деятельность других желез внутренней секреции - щитовидной, половых, надпочечников. Имеется прямое влияние, например, симпатических нервов на скелетные мышцы за счет выделения медиатора - норадреналина из адренергических сплетений кровеносных сосудов.

Принято различать симпатоадреналовую, гипофизарно- адренокортикальную, гипофизарно-половую системы.

Симпатоадреналовая система ответственна за мобилизацию энергетических ресурсов. Адреналин образуется в надпочечниках и вместе с норадреналином действует через систему "аденилатциклаза - ц-АМФ". Для необходимого накопления ц-АМФ в клетке требуется ингибировать ц-АМФ-фосфодиэстеразу, фермент, катализирующий расщепление ц-АМФ. Ингибирование осуществляется глюкокортикоидами (инсулин противодействует этому эффекту).

Система "аденилатциклаза - ц-АМФ" действует следующим образом. Гормон током крови подходит к клетке, на наружной поверхности клеточной мембраны имеются рецепторы. Взаимодействие гормон - рецептор приводит к конформации рецептора, т.е. активации каталитического компонента аденилатциклазного комплекса. Далее, из АТФ начинает образовываться ц-АМФ, который участвует в регуляции метаболизма (расщеплении гликогена, активизации фосфофруктокиназы в мышцах, липолиза в жировых тканях), клеточной дифференциации, синтезе белков, мышечного сокращения.

Гипофизарно-адренокортикальная система включает нервные структуры (гипоталамус, ретикулярная формация и миндалевидный комплекс), кровоснабжение и надпочечники. В состоянии стресса усиливается выход кортиколиберина из гипоталамуса в кровоток. Это вызывает усиление секреции АКТГ, который током крови переносится в надпочечники. Нервная регуляция воздействует на гипофиз и приводит к секреции либеринов и статинов, а они регулируют секрецию тропных гормонов аденогипофиза АКТГ.

Механизм действия глюкокортикоидов на синтез ферментов может быть представлен следующим образом (по А.Виру, 1981):

Кортизол, кортикостерон, кортикотропин, кортиколиберин проходят через клеточную мембрану (процесс диффузии).

В клетке гормон (Г) соединяется со специфическим белком - рецептором (Рр), образуется комплекс Г-Рр.

Комплекс Г-Рр перемещается в ядро клетки (через 15 мин) и связывается с хроматином (ДНК).

Стимулируется активность структурного гена, усиливается транскрипция и-РНК.

И-РНК стимулирует синтез других видов РНК. Непосредственное действие глюкокортикоидов на аппарат трансляции состоит из двух этапов: 1) освобождения рибосом из эндоплазматической сети и усилении агрегации рибосом (наступает через 60 мин); 2) трансляция информации, т.е. синтез ферментов (в печени, в железах внутренней секреции, скелетных мышцах).

После выполнения своей роли в ядре клетки Г отцепляется от рецептора (время полураспада комплекса около 13 мин), выходит из клетки в неизменном виде.

На мембранах органов-мишеней имеются специальные рецепторы, благодаря которым осуществляется транспорт гормонов в клетку. Клетки печени имеют особенно много таких рецепторов, поэтому глюкокортикоиды в них интенсивно накапливаются и метаболизируются. Время полужизни большинства гормонов составляет 20-200 мин.

Гипофизарно-щитовидная система имеет гуморальные и нервные взаимосвязи. Предполагается ее синхронное функционирование с гипофизарно-адренокортикальной системой. Гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин, тиротропонин) положительно сказываются на процессах восстановления после выполнения физических упражнений.

Гипофизарно-половая система включает гипофиз, кору надпочечников, половые железы. Взаимосвязь между ними осуществляется нервным и гуморальным путем. Мужские половые гормоны - андрогены (стероидные гормоны), женские - эстрогены. У мужчин биосинтез андрогенов осуществляется в основном в клетках Лейдига (интерстициальных) семенников (главным образом тестостерон). В женском организме стероиды образуются в надпочечниках и яичниках, а также коже. Суточная продукция у мужчин составляет 4-7 мг, у женщин в 10-30 раз меньше. Органы-мишени андрогенов - предстательная железа, семенные пузырьки, семенники, придатки, скелетные мышцы, миокард и др. Этапы действия тестостерона на клетки органов мишеней следующие:

тестостерон превращается в более активное соединение 5-альфа-дегидротестостерон;

образуется комплекс Г-Рр;

комплекс активизируется в форму, проникающую в ядро;

взаимодействие с акцепторными участками хроматина ядра (ДНК);

усиливается матричная активность ДНК и синтез различных видов РНК;

активизируется биогенез рибо и полисом и синтез белков, в том числе андрогенозависимых ферментов;

увеличивается синтез ДНК и активизируется клеточное деление.

Важно заметить, что для тестостерона участие в синтезе белка необратимо, гормон полностью метаболизируется.

Модель эндокринной системы в предельно упрощенном виде может быть представлена так. Активизация деятельности ЦНС при выполнении физического упражнения приводит к секреции гормонов. Экспериментально было показано увеличение концентрации гормонов в крови с ростом мощности (активности ЦНС), в частности норадреналина. Эта зависимость может быть описана показательной функцией:

А1 = К1 x Iⁿ,

где А1 - скорость секреции гормона; I - интенсивность упражнения или степень активности ЦНС; К1, n - эмпирические коэффициенты. Аналогичные зависимости наблюдаются при изучении концентрации соматотропина, кортизола, кортикостерона, кортикотропина, кортиколиберина.

Гормоны, попадающие в кровь, подвергаются элиминации, причем при росте мощности интенсивность метаболизма, в частности глюкокортикоидов, возрастает, поэтому соотношение между мощностью работы, содержанием гормонов в теле и скоростью элиминации гормонов может быть представлено в виде следующей зависимости:

B0 = К2 x (1 - EXP(- K3 x B x Iⁿ)) + K4 x (1 - EXP(K5 x B)),

где I - интенсивность; В - концентрация гормонов в теле; К2, К3, К4, К5, n - эмпирические коэффициенты.

Глюкокортикоиды в восстановительном периоде накапливаются в органах-мишенях, повышение адренокортикальной активности приводит к снижению на вторые-третьи сутки концентрации кортикостероидов в крови. Скорость выхода гормонов из тела и приход в орган-мишень (А3) моделировались с учетом этого фактора:

А3 = K6 x MG x EXP (-B x K7),

где MG - масса железы. Из формулы видно, что скорость прихода гормонов зависит от массы железы (степени ее гипертрофии) и от концентрации гормонов в теле (В).

Скорость синтеза гормонов (А2) в железе представим в виде следующей эмпирической модели:

A2 = K8 x (1 - EXP (-B x K9)) x EXP (-G x K10)

Формула предусматривает, что синтез гормонов увеличивается по мере снижения концентрации гормонов в железе (G) и снижается с ростом концентрации гормонов в теле (В).

Основой повышения тренированности эндокринной системы являются структурные приспособительные перестройки в железах. Известно, что тренировка приводит к росту массы надпочечников, гипофиза, щитовидной железы, половых желез (через 125 дней детренировки все возвращается к норме). Отмечено, что увеличение массы надпочечников сочетается с повышением содержания ДНК, т.е. интенсифицируется митоз - растет количество клеток. Изменение массы железы связано с двумя процессами - синтеза и деградации. Скорость синтеза можно представить:

SG = K11 x MG x EXP (-G x K12),

откуда видно, что синтез железы прямо пропорционально зависит от ее массы (MG) и обратно пропорционально от концентрации гормонов в железе (G).

Деградация железы может быть описана такой эмпирической моделью:

DG = MG x K13 x EXP (-B x K14) x (K15 + Iⁿ),

здесь скорость деградации увеличивается с ростом массы железы и механической мощности, уменьшается с повышением концентрации анаболических гормонов в крови (в теле) - В.

Таким образом, простейшая математическая модель эндокринной системы может быть представлена в виде трех дифференциальных уравнений:

dG / dt = A3 + A2 - A1

dB / dt = A1 - A2 - B0

dMG / dt = SG - DG

Исследования модели, т.е. многочисленные решения системы дифференциальных уравнений, проводились численно по методу Эйлера на ЭВМ.

Изучение стационарности модели показало, что изменение начальных условий выводит систему из равновесия и возвращает впоследствии к стационарным условиям. При выполнении расчетов фиксировалось изменение массы железы. Было отмечено, что уменьшение концентрации гормонов в теле приводит к уменьшению массы железы на 2% на третьи сутки и через 30 дней все параметры возвращаются к начальным условиям. Увеличение начальной концентрации гормонов в теле приводит к росту массы железы до 2-го, 3-го дня, а затем возвращению к начальным условиям. Уменьшение концентрации гормонов в железе на 50% приводит к уменьшению массы железы на 4% к 11-му дню и возвращение к начальным условиям к 72-му дню. Увеличение концентрации гормонов в железе на 50% приводит к росту массы железы на 2% к 18-му дню и возвращению к начальным условиям к 50-му дню. Изменение массы железы в диапазоне ±20% также приводило к восстановлению, приходу к начальным условиям к 80-100-му дню.

1.3.2. Модель иммунной системы

Человек имеет механизмы надзора - иммунную систему. Эта система защищает от болезнетворных (патогенных) микроорганизмов (бактерий и вирусов) и от раковых клеток, распознает и избирательно уничтожает вторгшиеся в организм человека чужеродные агенты. Различают клеточный и гуморальный вид ответа. Клеточный иммунный ответ особенно эффективен против грибов, паразитов, внутриклеточных вирусных инфекций, раковых клеток и чужеродных тканей. Гуморальный иммунный ответ проявляется преимущественно в период внеклеточной фазы бактериальных и вирусных инфекций.

Взаимодействие организма с чужеродными размножающимися антигенами академик Р.В.Петров (1987) представляет четырьмя процессами:

1. Размножение проникших чужеродных клеток. Изменение числа антигенов в организме зависит от темпа их размножения за данный отрезок времени минус то их число, которое нейтрализуется за это время существовавшими ранее или появившимися антителами.

2. Иммунная система организма реагирует на антигенное вторжение накоплением иммунокомпетентных клеток (антителообразующих). Запускающим реакции субстратом является комплекс антигена с рецептором распознающего Т-лимфоцита. Количество плазмоклеток зависит от числа активированных В-лимфоцитов и от темпа их пролиферации минус их убыль за счет старения.

3. Количество антител в данном отрезке времени зависит от скорости их производства минус то количество, которое связывается антигеном, и то количество, которое выводится за счет естественного их катаболизма.

4. Функционирование иммунной системы организма зависит от нормальной работы других систем и органов. Вирус, естественно, поражает какую-то систему (или орган), не обязательно непосредственно лимфоидную. Это может быть печень, легкие, железы внутренней секреции и др. В любом случае поражение может достигать такой глубины, которая отразится на обеспечении работы иммунной системы.

Простейшая модель иммунологической реакции организма на вирус является одновременно простейшей моделью инфекционного заболевания. Самый придирчивый критик не сможет найти, как пишет Р.Петров (1987), здесь неучтенного процесса, если иметь в виду базовые процессы.

Простейшая математическая модель иммунной системы была разработана академиком Г.И.Марчуком (1985). Она позволяет имитировать основные закономерности протекания защитной реакции организма, в модели не различаются клеточные и гуморальные компоненты иммунитета. Предполагается, что такие компоненты имеются.

Модель включает элементы: пул антигенов, пул антител, пул плазмоклеток, орган мишень. Переходим к построению уравнений модели.

Первое уравнение описывает изменение числа антигенов в организме:

dAG / dt = i1 x AG - i2 x AG x AT.

Первый член правой части уравнения описывает скорость накопления антигенов (i1 x AG), здесь i1 коэффициент размножения антигенов. Второй член i2 x AG x AT описывает скорость нейтрализации антигенов (AG) при взаимодействии с антителами (AT), коэффициент i2 характеризует вероятность нейтрализации антигена антителами при встрече с ними.

Второе уравнение описывает рост плазмоклеток:

dNP / dt = i3 x AG x AT - i4 x NP x MG + i5 x MG.

Первый член правой части описывает генерацию плазмоклеток, i3 - коэффициент вероятности встречи антиген-антитело и возбуждения каскадной реакции образования новых плазмоклеток.

Второй член - скорость старения плазмоклеток, i4 - коэффициент старения, NP x MG - количество плазмоклеток в органе мишени.

Третий член характеризует естественную скорость синтеза плазмоклеток, i5 - коэффициент обновления.

Третье уравнение описывает скорость образования антител:

dAT / dt = i6 x NP - i7 x AG x AT - i8 x AT

Первый член правой части описывает скорость генерации антител плазмоклетками, второй - уменьшение числа антител за счет связи с антигенами, третий - скорость уменьшения антител за счет старения.

Четвертое уравнение описывает реакцию органа мишени на

появление антигенов:

dMG / dt = i9 x MGⁿ - i10 x AG x MG.

Первый член правой части уравнения описывает скорость синтеза органа мишени, второй - интенсивность поражения органа антигенами и естественное старение.

Представленная здесь система дифференциальных уравнений лишь незначительно и непринципиально отличается от модели Г.И.Марчука. Решение системы дифференциальных уравнений выполнялось численно по методу Эйлера, на ЭВМ IBM AT (16 Мгерц).

Анализ модели. Исследование модели на стационарность показало, что ввод измененных начальных условий (AG, AT, MG, P) приводит к развертыванию иммунологических реакций, которые неизменно заканчиваются выходом на начальные условия.

Результаты моделирования. Имитационное моделирование реакции иммунной системы введением разного исходного уровня антигенов показало, что наша модель демонстрирует, как и модель Г.И.Марчука, хроническую, субклиническую, острую и летальную форму болезни.

Хроническая форма болезни имеет место в том случае, когда в организм постоянно поступает в небольших дозах инфекция. В этом случае устанавливается динамическое равновесие между синтезом патогенных микробов и их элиминацией благодаря адекватному производству антител. Субклиническая, острая или летальная формы заболевания могут быть вызваны двумя способами: однократным введением возрастающей дозы антигенов, уменьшением массы органа мишени. Последний случай будет использован далее в сводной модели.

1.3.3. Модель мышечной системы

Увеличение количества операторов в алгоритме приводит к удлинению цикла вычислений, поэтому для изучения и моделирования влияния эндокринной системы на модель мышцы представим в предельно простом варианте.

Известно, что физические упражнения вызывают в мышечной клетке изменение числа миофибрилл, массы митохондрий, размера саркоплазматической сети, массы хроматина и др. Прямое влияние на спортивные достижения оказывают число миофибрилл (определяет уровень силовой подготовленности) и масса митохондрий (определяет мощность аэробных процессов). Заметим, что с ростом силы коррелирует увеличение саркоплазматического ретикулума, масса хроматина, а с ростом массы митохондрий капилляризация мышечного волокна, поэтому в нашей модели рассматриваются процессы адаптации миофибрилл и митохондрий к воздействию физических упражнений и состояние эндокринной системы.

Ускоренный синтез миофибрилл возможен при сочетании нескольких обязательных условий:

- повышенной концентрации свободного креатина (Кр);

- повышенной концентрации ионов водорода (Н);

- адекватное содержание в крови и тканях аминокислот;

- анаболических гормонов.

Переходим к построению уравнений модели. Первое уравнение будет описывать изменение массы миофибрилл в мышце:

dMF / dt = SMF - DMF.

Первый член в правой части этого уравнения описывает скорость синтеза миофибрилл, а второй - интенсивность их деградации. Синтез моделируется эмпирическим уравнением:

SMF = f1 x G x MF x (f2 + Iⁿ),

где G - концентрация гормонов, MF - масса миофибрилл, I - интенсивность физического упражнения. В этом уравнении аналитически представлены широко известные закономерности: увеличение концентрации гормонов стимулирует синтез белка (вспомните проблему анаболических гормонов), синтез пропорционален массе мышц, с ростом интенсивности физического упражнения рекрутирование двигательных единиц сначала идет пропорционально интенсивности физического упражнения, а после преодоления мощности порога анаэробного обмена рекрутирование выполняется более интенсивно, это вызывает накопление в МВ свободного Кр, а в гликолитических МВ накопление ионов Н. Предполагается, что накопление ионов Н приводит к либерализации мембран, увеличению пор в мембране ядрышка, облегчению доступа к наследственной информации. Внутри скобок: f2 - коэффициент, характеризующий естественную скорость синтеза миофибрилл, второе слагаемое характеризует прирост скорости синтеза миофибрилл в результате выполнения физического упражнения.

Деградация моделируется следующим эмпирическим уравнением:

DMF = MF x (f3 + f4 x I).

После раскрытия скобок первое слагаемое в этом уравнении будет характеризовать естественное старение миофибрилл, которое пропорционально их числу. Второе слагаемое описывает влияние интенсивности физического упражнения на деградацию миофибрилл. Известно, что повышение концентрации ионов Н внутри клетки вызывает не только стимуляцию синтеза, но и приводит к деструктивным изменениям в миофибриллах, митохондриях и других клеточных органеллах, разрушенные структуры затем элиминируются с помощью лизосомального аппарата клетки.

Второе уравнение описывает интенсивность изменения массы митохондрий в мышце:

dMX / dt = SMX - DMX.

Первое слагаемое правой части уравнения представляет процессы синтеза митохондрий, второе - деградации.

Для моделирования процессов синтеза митохондрий использовалось эмпирическое уравнение:

SMX= f5 x MX x (1 - exp(-G x f6))x(1 - exp(-I x f7))x(f8 - MX/MF) + f9 x MX

В этом уравнении синтез митохондрий связан с их массой (МХ); концентрацией гормонов (G), причем до определенного предела; интенсивностью физического упражнения, тоже до предела, до мощности АнП; массой миофибрилл, которая ограничивает рост массы митохондрий. Второе слагаемое моделирует естественный синтез митохондрий в покое.

Для моделирования процессов деградации митохондрий использовалось эмпирическое уравнение:

DMX = MX x (f10 + f11 x Iⁿ).

После раскрытия скобок первое слагаемое будет описывать естественное старение митохондрий, второе - интенсивность повреждения митохондрий в результате накопления ионов Н внутри клеток при выполнении упражнений выше АНП.

1.3.4. Модель пищеварительной системы

Задача разработки модели процессов долгосрочной адаптации заключается в изучении влияния физических упражнений на эндокринную и мышечную системы, а затем в применении имитационного моделирования для обучения тренеров, приобретения ими навыков планирования нагрузок. Очевидно, что тренер должен уметь учитывать энергозатраты на тренировочный процесс, поэтому в сводную модель введена как элемент модель пищеварительной системы в предельно простом варианте, в виде баланса прихода энергии с пищей и затратами энергии в ходе тренировки и отдыха.

Уравнение баланса энергии имеет следующий вид:

dMB / dt = E - E_z.

Первое слагаемое правой части уравнения представляет среднюю скорость прихода энергии с пищей. Вводится приход энергии в Ккал. Второе слагаемое - затраты энергии в ходе тренировки и на основной обмен:

E_z = OO x MB / 70 + p1 x Iⁿ,

где ОО - скорость расхода энергии в основном обмене, МВ - масса тела;

р1 x Iⁿ - скорость расхода энергии при выполнении физического упражнения с интенсивностью I. "В беге в первом грубом приближении можно считать, что кислородный запрос растет примерно пропорционально кубу скорости (Сарджент, 1926; Хилл, 1927)" (цитируется по В.Зациорскому, 1970).

Результаты моделирования. 1) Коэффициенты в уравнении подобраны таким образом, что в покое баланс наблюдается при 2000 Ккал поступления энергии в сутки. 2) Прием 3000 Ккал в сутки приводит к увеличению массы тела за 100 дней на 10 кг, т.е. по 100 г ежесуточно, что соответствует возможному приросту массы тела при избытке питания в 1000 Ккал и с учетом коэффициента полезного действия. 3) Зависимость "интенсивность - затраты энергии" согласуется с экспериментальными данными.

1.3.5. Модель организма человека для имитации долгосрочных адаптационных процессов

Дифференциальные уравнения отдельных систем: эндокринной, иммунной, мышечной, пищеварительной систем сведены в один алгоритм. Роль центральной нервной системы выполняет экспериментатор с помощью определения интенсивности физического упражнения и его продолжительности.

Взаимодействие между эндокринной, иммунной и мышечной системами обеспечивается благодаря влиянию гормонов на состояние массы железы (подразумевается как эндокринная железа, так и лимфоидные органы и костный мозг), количество миофибрилл и массы митохондрий. Взаимодействие также обеспечивается тем, что антигены, поступающие в организм, влияют на процессы деградации в железе.

Входными характеристиками являются интенсивность физического упражнения, его продолжительность, интервал отдыха, приход энергии с питанием.

На выходе представляются на экране дисплея результаты решения системы дифференциальных уравнений в виде зависимости от времени следующих переменных - концентрация гормонов в железе и в крови, масса миофибрилл и митохондрий в мышце, масса железы, концентрация антигенов в крови, масса тела, а также производные величины - возможные результаты в беге на 100, 800 и 10000 м.

Исследование модели, т.е. многочисленные решения системы дифференциальных уравнений, проводилось численно по методу Эйлера на ЭВМ.

Результаты имитационного моделирования показали, что система дифференциальных уравнений решается и при любых физиологически значимых изменениях входных характеристик, после прекращения действия возмущения, характеристики модели возвращаются к начальным условиям, т.е. модель является устойчивой. Данные, подтверждающие адекватность модели, представлены в следующих разделах.

2.1. Методы гиперплазии миофибрилл в мышечных волокнах

Цель силовой подготовки - увеличить число миофибрилл в мышечных волокнах. Достигается это с помощью силовой тренировки, которая должна включать упражнения с 70-100% интенсивностью, каждый подход продолжается до отказа. Это хорошо известно, однако смысл такой тренировки, процессы, разворачивающиеся в мышцах в ходе выполнения упражнений и при восстановлении, раскрыты еще недостаточно полно.

Силовое воздействие человека на окружающую среду - есть следствие функционирования мышц. Мышца состоит из мышечных волокон - клеток. Для увеличения силы тяги МВ необходимо добиться гиперплазии (увеличения) миофибрилл. Этот процесс возникает при ускорении синтеза и при прежних темпах распада белка. Исследования последних лет позволили выявить четыре основных фактора, определяющих ускоренный синтез белка в клетке:

1) Запас аминокислот в клетке.

2) Повышенная концентрация анаболических гормонов в крови.

3) Повышенная концентрация "свободного" креатина в МВ.

4) Повышенная концентрация ионов водорода.

Второй, третий и четвертый факторы прямо связаны с содержанием тренировочных упражнений.

Механизм синтеза органелл в клетке, в частности миофибрилл, можно описать следующим образом.

В ходе выполнения упражнения энергия АТФ тратится на образование актин-миозиновых соединений, выполнение механической работы. Ресинтез АТФ идет благодаря запасам КрФ. Появление свободного Кр активизирует деятельность всех метаболических путей, связанных с образованием АТФ (гликолиз в цитоплазме, аэробное окисление в митохондриях, которые могут находиться рядом с миофибриллами, или в ядрышке, или на мембранах СПР). В БМВ преобладает М-ЛДГ, поэтому пируват, образующийся в ходе анаэробного гликолиза, в основном трансформируется в лактат. В ходе такого процесса в клетке накапливаются ионы Н. Мощность гликолиза меньше мощности затрат АТФ, поэтому в клетке начинают накапливаться Кр, Н, La, АДФ.

Наряду с важной ролью в определении сократительных свойств в регуляции энергетического метаболизма, накопление свободного креатина в саркоплазматическом пространстве служит мощным эндогенным стимулом, возбуждающим белковый синтез в скелетных мышцах. Показано, что между содержанием сократительных белков и содержанием креатина имеется строгое соответствие. Свободный креатин, видимо, влияет на синтез и-РНК, т.е. на транскрипцию в ядрышках МВ. В лаборатории биохимии ПНИЛ ГЦОЛИФК было показано, что применение препаратов креатина при подготовке спринтеров позволил в течение года достоверно улучшить спортивные результаты в спринте, прыжках, однако показатели аэробных возможностей стали хуже.

Предполагается, что повышение концентрации ионов водорода вызывает лабилизацию мембран (увеличение размеров пор в мембранах, это ведет к облегчению проникновения гормонов в клетку), активизирует действие ферментов, облегчает доступ гормонов к наследственной информации, к молекулам ДНК. В ответ на одновременное повышение концентрации Кр и Н интенсивнее образуются РНК. Срок жизни и-РНК короток, несколько секунд в ходе выполнения силового упражнения плюс пять минут в паузе отдыха. Затем молекулы и-РНК разрушаются.

Теоретический анализ показывает, что при выполнении силового упражнения до отказа, например 10 приседаний со штангой, с темпом одно приседание за 3-5 с, упражнение длится до 50 с. В мышцах в это время идет циклический процесс: опускание и подъем со штангой 1-2 с выполняется за счет запасов АТФ; за 2-3 с паузы, когда мышцы становятся мало активными (нагрузка распространяется вдоль позвоночного столба и костей ног), идет ресинтез АТФ из запасов КрФ, а КрФ ресинтезируется за счет аэробных процессов в ММВ и анаэробного гликолиза в БМВ. В связи с тем, что мощность аэробных и гликолитических процессов значительно ниже скорости расхода АТФ, запасы КрФ постепенно исчерпываются, продолжение упражнения заданной мощности становится невозможным - наступает отказ. Одновременно с развертыванием анаэробного гликолиза в мышце накапливается молочная кислота и ионы водорода (в справедливости высказываний можно убедиться по данным исследований на установках ЯМР). Ионы водорода по мере накопления разрушают связи в четвертичных и третичных структурах белковых молекул, это приводит к изменению активности ферментов, лабирализации мембран, облегчению доступа гормонов к ДНК. Очевидно, что чрезмерное накопление или увеличение длительности действия кислоты даже не очень большой концентрации может привести к серьезным разрушениям, после которых разрушенные части клетки должны будут элиминироваться. Заметим, что повышение концентрации ионов водорода в саркоплазме стимулирует развитие реакции перекисного окисления. Свободные радикалы способны вызвать фрагментацию митохондриальных ферментов, протекающую наиболее интенсивно при низких, характерных для лизосом, значениях рН. Лизосомы участвуют в генерации свободных радикалов, в катаболических реакциях. В частности, в исследовании А.Salminen e.a. (1984) на крысах было показано, что интенсивный (гликолитический) бег вызывает некротические изменения и 4-5 кратное увеличение активности лизосомальных ферментов. Совместное действие ионов водорода и свободного Кр приводит к активизации синтеза РНК. Известно, что Кр присутствует в мышечном волокне в ходе упражнения и в течение 30-60 с после него, пока идет ресинтез КрФ. Поэтому можно считать, что за один подход к снаряду спортсмен набирает около одной минуты чистого времени, когда в его мышцах происходит образование и-РНК. При повторении подходов количество накопленной и-РНК будет расти, но одновременно с повышением концентрации ионов Н, поэтому возникает противоречие, т.е. можно разрушить больше, чем потом будет синтезировано. Избежать этого можно при проведении подходов с большими интервалами отдыха или при тренировках несколько раз в день с небольшим числом подходов в каждой тренировке, как это имеет место в тренировке И.Абаджиева и А.Бондарчука.

Вопрос об интервале отдыха между днями силовой тренировки связан со скоростью реализации и-РНК в органеллы клетки, в частности в миофибриллы. Известно, что сама и-РНК распадается в первые десятки минут после упражнения, однако структуры, образованные на их основе, синтезируются в органеллы в течение 4-7 дней (очевидно, зависит от объема образованной за тренировку и-РНК). В подтверждение можно напомнить данные о ходе структурных преобразований в мышечных волокнах и согласующихся с ними субъективных ощущениях после работы мышцы в эксцентрическом режиме, первые 3-4 дня наблюдаются нарушения в структуре миофибрилл (около Z-пластинок) и сильные болевые ощущения в мышце, затем МВ нормализуется и боли проходят. Можно привести также данные собственных исследований, в которых было показано, что после силовой тренировки концентрация Мо в крови утром натощак в течение 3-4 дней находится ниже обычного уровня, что свидетельствует о преобладании процессов синтеза над деградацией. Логика происходящего при выполнении силовой тренировки представляется в основном корректной, однако доказать ее истинность может лишь эксперимент. Проведение эксперимента требует затрат времени, привлечения испытуемых и др., а если логика окажется где-то порочной, то придется вновь проводить эксперимент. Понятно, что такой подход возможен, но мало эффективен. Более продуктивен подход с применением модели организма человека и имитационным моделированием физиологических функций и структурных, адаптационных перестроек в системах и органах. В нашем распоряжении теперь имеется такая модель, поэтому возможно в короткое время систематически изучать процессы адаптации на ЭВМ и проверять корректность планирования физической подготовки. Эксперимент же теперь можно проводить уже после того как будет ясно, что грубых ошибок в планировании не допущено.

Из описания механизма должно быть ясно, что ММВ и БМВ должны тренироваться в ходе выполнения разных упражнений, разными методиками.

2.1.1. Гиперплазия миофибрилл в быстрых мышечных волокнах

Для активации БМВ необходимо выполнять упражнения с максимальной или околомаксимальной интенсивностью. В этом случае, согласно "правилу размера" Ханнемана, будут функционировать ММВ и БМВ. Если сокращение мышц будет сочетаться с расслаблением, с таким их функционированием, которое не вызывает остановки кровообращения, то воздействие упражнения будет направлено в основном на БМВ. Ход краткосрочных адаптационных процессов (КАП) изучался с помощью моделей, имитирующих КАП. Исследовалась реакция модели на упражнения с И=85%, длительность одного приседания 5 с, ИО=5 с, количество повторений - до отказа.

Результат. Модель смогла выполнить четыре-пять подходов в одной серии. Запасы креатинфосфата снизились в мышце только до 60%. Затем был задан период восстановления 3 мин с активным отдыхом, обеспечивающим потребление кислорода 1-2 л/мин. За 3 мин концентрация лактата в крови практически не изменилась, КрФ почти полностью ресинтезировался, однако максимальная мощность составила к этому моменту только 70% МАМ. Продление активного отдыха до 6 мин позволило увеличить мощность до 75%, до 10 мин - 85%. К 10 мин концентрация Н и La снизилась до 7,290 и 4,5 мМ/л. Максимальная концентрация этих веществ наблюдалась на 2-4-й минуте восстановления и составила 7,265 и 6,9 мМ/л.

Обсуждение. Использование упражнений с интенсивностью 85% не приводит к значительному расщеплению КрФ, поэтому для повышения эффективности силовой тренировки, направленной на гипертрофию МВ, необходимо увеличивать число подходов в серии, т.е. уменьшить мощность упражнения. Заметьте, что этот вывод согласуется с экспериментальными данными, а это говорит об адекватности имитации, адекватности модели. Эксперимент с имитационным моделированием долгосрочного адаптационного процесса проводился по следующему плану. Интенсивность упражнения 85%, продолжительность силовой тренировки изменялась от 1 до 20 мин, т.е. спортсмен мог сделать 1-15 подходов к снаряду, интервал отдыха между тренировками 1-7 дней.

Результаты имитационного моделирования. Было показано, как меняется масса миофибрилл за 20 циклов. Анализ результатов ИМ показывает, что увеличение количества дней отдыха приводит к снижению эффективности цикла тренировки при заданной интенсивности и продолжительности тренировки. Увеличение продолжительности тренировки с 1 до 20 мин (полезное время, когда образуется и-РНК) ведет к росту эффективности цикла тренировки, однако при этом усиливается метаболизм гормонов. Когда скорость элиминации гормонов становится больше скорости их синтеза, начинается снижение концентрации гормонов в теле. Снижение концентрации гормонов в теле ниже уровня нормы ведет к возникновению явления общего адаптационного синдрома Селье, снижению интенсивности процессов синтеза миофибрилл, митохондрий, а также клеток в органах эндокринной и иммунной систем, последнее обстоятельство увеличивает вероятность заболевания. В ходе ИМ объект постоянно находится в среде, содержащей болезнетворные вирусы и микробы, которые инфицируют организм, поэтому при снижении иммунитета возрастает опасность заболевания. Следовательно, высокоинтенсивные и продолжительные тренировки могут существенно повышать синтез различных структур в клетках, однако одновременно с этим являются причиной будущих заболеваний, явлений перетренировки. Такой вывод хорошо согласуется с общепринятым мнением специалистов и отражается в таких понятиях, как "форсирование спортивной формы", "кумулятивный эффект".

Для того, чтобы минимизировать отрицательный эффект и сохранить эффективность силовой тренировки, можно предложить следующий вариант построения недельного цикла. Предположим, что в первый день микроцикла выполняется развивающая тренировка, например приседание со штангой массой 80-90% от произвольного максимума до отказа (упражнение длится 40-60 с). В ходе упражнения и в период 60 с восстановления в МВ должно идти активное образование и-РНК, следовательно, полезное время от одного подхода составляет 1,5-2 мин. Для достижения развивающего эффекта необходимо сделать 7-10 подходов, т.е. 12-20 мин полезной работы. Выполнение такой высокоинтенсивной и продолжительной работы вызывает значительный выброс гормонов в кровь. Повышенная концентрация гормонов сохраняется в течение двух, трех суток, это стимулирует синтез. На четвертый день концентрация гормонов приходит к норме, поэтому необходимо выполнить еще силовую тренировку для повышения концентрации гормонов в крови на протяжении последующих двух суток восстановления. Это обеспечит поддержание интенсивности процессов синтеза миофибрилл после развивающей тренировки. Очевидно, что такая "тонизирующая" тренировка должна быть высокоинтенсивной (для выброса гормонов в кровь), но не продолжительной (половина от "развивающей" тренировки), чтобы не вызвать усиленного метаболизма гормонов.

Имитационное моделирование такого варианта тренировки показало, что за 6 микроциклов масса миофибрилл выросла на 7%, масса митохондрий уменьшилась на 14%, масса желез внутренней секреции сначала имела тенденцию к росту (10 дней), затем к снижению - к 42-му дню масса железы пришла к норме.

Следовательно, предложенный микроцикл эффективен, однако не может использоваться более 6 недель, поскольку в дальнейшем могут появиться признаки ОАСС.

Для достижения максимального эффекта тренировки необходимо соблюсти ряд условий:

- упражнение выполняется с максимальной или околомаксимальной интенсивностью;

- упражнение выполняется "до отказа", т.е. до исчерпания запасов КрФ, образования высокой концентрации Кр;

- интервал отдыха 5 или 10 мин; 5 мин - активный отдых, выполняются упражнения с мощностью АэП (ЧСС 100-120 уд/мин), это значительно ускоряет процесс "переработки" молочной кислоты; 10 мин - относительно малоактивный отдых, ресинтез КрФ идет преимущественно в ходе анаэробного гликолиза с накоплением в БМВ ионов Н и La;

- количество повторений за тренировку: 5-7 с пассивным отдыхом, 10-15 с активным отдыхом;

- количество тренировок в день: одна, две и более, в зависимости от тренированности;

- количество тренировок в неделю: после предельной по продолжительности (объему) тренировки следующая может повториться только через 7-10 дней, именно столько времени требуется для синтеза миофибрилл в мышечных волокнах.

2.1.2. Гиперплазия миофибрилл в медленных мышечных волокнах

Методика гиперплазии миофибрилл в ММВ похожа на ранее описанную методику для БМВ. Основным отличительным условием является требование выполнять упражнение без расслабления тренируемых мышц. В этом случае напряженные и утолщенные МВ пережимают капилляры, вызывают окклюзию (остановку кровообращения). Нарушение кровообращения ведет к гипоксии МВ, т.е. интенсифицируется анаэробный гликолиз в ММВ, в них накапливается лактат и Н. Очевидно, что создать такие условия можно при работе против силы тяжести или тяги резинового амортизатора.

Приведем пример такого упражнения. Выполняются приседания со штангой 30-70% ПМ. Спортсмен из максимально глубокого приседа встает до угла в коленных суставах 90-110°:

- интенсивность 30-70%;

- продолжительность упражнения 30-60 с (отказ из-за болей в мышце);

- интервал отдыха между подходами к снаряду 5-10 мин (отдых должен быть активным);

- число подходов к снаряду 7-12;

- количество тренировок в день: одна, две и более;

- количество тренировок в неделю: упражнение повторяется через 3-5 дней.

Правила могут быть обоснованы следующим образом. Интенсивность упражнения выбирается такой, чтобы были рекрутированы только ММВ. Продолжительность упражнения не должна превышать 60 с, иначе накопление Н может превысить оптимальную концентрацию для активации синтеза белка. Для увеличения времени пребывания в ММВ Кр и Н следует выполнять упражнение в виде серии подходов, а именно первый подход не до отказа (секунд 30), затем интервал отдыха 30 с. Так повторяется три или пять раз, затем выполняется длительный отдых или упражняется другая мышца. Преимущество такого упражнения (в культуризме его называют "суперсерией") заключается в том, что Кр и Н присутствуют в ММВ как в ходе упражнения, так и в паузах отдыха. Следовательно, суммарное время действия факторов (Кр, Н), вызывающих образование и-РНК, значительно увеличивается в сравнении с ранее описанными вариантами тренировки.

Следует сделать одно важное замечание. Тренировки, направленные на увеличение синтеза белка, необходимо проводить в конце тренировочного занятия технико-тактической направленности и желательно на последней вечерней тренировке. Дело в том, что в ответ на силовую тренировку образуются белковые молекулы, если же после силовой тренировки будет выполнена длительная и с высоким потреблением кислорода тренировка, то при исчерпании запасов гликогена будут интенсивно метаболизироваться белки, что в конечном итоге приведет к снижению эффективности тренировки.

Типичным примером методики гипертрофии ММВ является тренировка культуристов. Наибольшим авторитетом пользуется система, разработанная Вайдером. Бен Вайдер (тренер чемпионов) сформулировал следующие принципы:

Принцип выбора и техники выполнения упражнений. В нашей литературе он соответствуют принципу специфичности упражнения, который требует четкого понимания биомеханики функционирования опорно-двигательного аппарата.

Принцип качества усилия. В каждом упражнении необходимо достигнуть максимального и полного напряжения, стремиться к сокращению перерывов (отдыха между подходами). Этот принцип повторяет правила, изложенные выше, - эффективно то упражнение, которое выполняется до отказа, вызывающее предельное расщепление КрФ. Уменьшение интервалов отдыха приводит к еще большему расщеплению КрФ по сумме нескольких подходов. Заметим, что этот принцип правильно работает, если используются веса 80-85% ПМ, поскольку в этом случае в отдельном подходе КрФ полностью не используется. Этот принцип объединяется по смыслу с другим принципом Вайдера - объединяющих серий, система "сет".

Принцип приоритета. В каждой тренировке в первую очередь тренируются те мышечные группы, гипертрофия которых является целью. Очевидно, что в начале упражнения гормональный фон и ответ эндокринной системы адекватны, запас аминокислот в МВ максимальный, поэтому процесс синтеза РНК и белка идет с максимальной скоростью.

Принцип вынужденных движений. Наибольший эффект достигается при выполнении последних 2-3 повторений, которые могут выполняться даже с помощью партнеров. Этот принцип лишь уточняет принцип качества усилия, т.е. необходимо добиваться максимального расщепления КрФ, чтобы свободный Кр и Н стимулировали синтез РНК.

Принцип "накачивания". Вес придерживается 2-3 с в конечной фазе движения при максимально сокращенной или растянутой мышце. Этот принцип объединяется по смыслу со следующим.

Принцип негативных движений. Мышцы должны быть активны как при сокращении, так и при удлинении, при выполнении отрицательной работы. Оба принципа в разной форме реализуют идею остановки кровообращения в мышце в течение всего времени выполнения упражнения. В этом случае в ММВ исчерпывается КрФ, и ресинтез его при отсутствии О₂ идет в ходе анаэробного гликолиза. Следовательно, образуется лактат и ионы водорода, последние выходят в кровь и взаимодействуют с буферными системами крови, что приводит к образованию неметаболического СО₂, который действует на хеморецепторы сосудов мышцы и вызывает их расширение. Вайдер говорит об эффекте "накачки" мышцы кровью.

Принцип суперсерии. Для дополнительного возбуждения упражняемых мышц применяются серии двойные, тройные и многократные практически без отдыха (20-30 с). Этот принцип используется только квалифицированными культуристами. Организация упражнения по суперсерии позволяет увеличить время пребывания свободного Кр в ММВ, следовательно, должно больше образоваться РНК.

Принцип интуиции. Каждый спортсмен должен опираться в тренировке не только на правила, но и на интуицию, поскольку имеются индивидуальные особенности адаптационных реакций. Против принципа индивидуализации возражений нет и добавлений тоже.

Результаты имитационного моделирования показали, что одним из рациональных вариантов тренировки является цикл, в котором одна тренировка носит развивающий характер, через три дня силовая тренировка повторяется, но уже в меньшем объеме ("тонизирующая" тренировка), всего цикл составил семь дней. Одним из достоинств такого цикла является то, что он может использоваться специалистами видов спорта на "выносливость". В дни отдыха могут использоваться тренировки для развития в МВ митохондрий или тренировки миокарда, диафрагмы. Эффективность теоретически разработанного микроцикла была проверена в ходе педагогического эксперимента.

Методика. Семь студентов ИФК (длина тела 177,3±11,8 см; масса тела 71,7±9,7 кг; возраст 25,0±4,8 г) два раза в неделю, в течение шести недель выполняли силовые тренировки и два раза в неделю выполняли аэробные тренировки по 40-50 мин с ЧСС АэП.

Первая силовая тренировка включала три серии по три подхода в каждой. Отдых между сериями был активный - 12 мин, между подходами 30 с. В каждом подходе упражнение выполнялось до отказа, длительность приседания со штангой составляла 60-70 с. Приседание выполнялось в статодинамическом режиме.

Вторая силовая тренировка включала только четыре подхода с интервалом активного отдыха 8 мин, вес штанги и условия приседания были теми же, что и в первой тренировке.

Результаты. За период исследования испытуемые стали сильнее, они смогли поднять более тяжелую штангу: до 866±276 Н, после эксперимента 1088±320 Н (различия достоверны при р<0,001). Средний прирост силы составил 222 Н (25,6%) или 2,1%/тр.день. Последний показатель должен характеризовать эффективность силовой тренировки, с его помощью можно сравнивать различные методы. В обзорной работе М.McDonagh and С.Davies (1984) было проведено сравнение изотонического и изометрического методов силовой тренировки в различных вариантах, в частности, было показано, что изотоническая тренировка дает прирост силы 0,4-1,1% за один тренировочный день, изометрическая - 0,9-1,1% за тренировочный день. Другие исследователи добивались лучших показателей 2-3%, однако они использовали примерно такую же методику: интенсивность 80%; количество сокращений мышцы за тренировку 12-18; 21-24 тренировочных дня.

Таким образом, эффективность разработанной методики силовой тренировки выше изометрических методов и изотонических, за исключением тех, которые по технологии совпадают с разработанной здесь. Следовательно, модель адекватно имитирует процессы синтеза миофибрилл как результат силовой тренировки.

2.2. Методы гиперплазии миофибриллярных митохондрий

Цель аэробной подготовки - развитие в мышечных волокнах митохондрий. Митохондриальный белок синтезируется на 85-95% в цитоплазме и только 5-15% белкового содержимого является продуктом собственно митохондриальной трансляции.

Белки, синтезируемые на митохондриальных рибосомах, включаются во внутреннюю митохондриальную мембрану. Внешняя мембрана, межмембранное пространство и матрикс комплектуются белками, продуцируемыми на цитоплазматических рибосомах. Набухание митохондрий является одним из проявлений их деградации. Причиной набухания митохондрий могут быть нарушения трансформации энергии (например, за счет исчерпания эндогенных субстратов, при подавлении переноса электронов, при изменении проницаемости внутренней мембраны по отношению к водородным ионам). Предполагается, что исчерпание внутримитохондриального запаса АТФ вызывает набухание митохондрии, что приводит к разрыву внешней мембраны и растеканию компонентов в межмембранное пространство. Имеется естественное старение митохондрий и отдельных ее компонентов (от 1 до 10 суток время полужизни). Формирование митохондрий в клетке контролируется на основании принципа отбора по функциональному критерию. Согласно этому принципу, митохондриальные структуры, собранные так, что они не могут эффективно трансформировать энергию, элиминируются в ходе митохондриальной дифференцировки.

Одним из естественных факторов, приводящих к деструктурированию митохондрий, является гипоксия и сопровождающий ее анаэробный метаболизм. В условиях кислородного голодания ухудшаются показатели капилляризации скелетных мышц, появляется внутриклеточный отек, очаговые нарушения сократительного (миофибриллярного) аппарата, деструктивно-дегенеративные изменения митохондрий, расширение саркоплазматического ретикулума и резкое снижение содержания гликогена.

Аналогичные структурные перестройки имеют место при проведении гликолитических тренировок.

Суммирование положений многочисленных исследований позволяет сделать следующее обобщение:

- митохондрии являются энергетическими станциями клетки, поставщиками АТФ в за счет аэробного метаболизма;

- синтез превышает распад митохондрий в случае интенсивного их функционирования (окислительного фосфорилирования);

- митохондрии имеют тенденцию к образованию в тех местах клетки, где требуется интенсивная поставка энергии - АТФ;

- усиление деструктуризации митохондрий происходит в условиях интенсивного функционирования клетки с привлечением анаэробного метаболизма, вызывающего значительное или длительное (как в условиях высокогорья) накопление в клетке и в организме ионов водорода (Н).

В соответствии с этими положениями можно разработать методику аэробной подготовки мышцы.

Каждую скелетную мышцу можно условно разделить, например, на три части:

- регулярно активируемые те мышечные волокна, которые активируются в повседневной жизни (МВ1);

- активируемые только в условиях тренировок, приближенных к мощности бега на средние дистанции (МВ2);

- редко активируемые, включаются в работу только при выполнении максимальных усилий, например, при выполнении прыжков, спринта (МВ3).

Мышечные волокна, которые регулярно рекрутируются (МВ1) с предельной для них частотой импульсации, имеют максимальную степень аэробной подготовленности. Максимальная степень аэробной подготовленности МВ1 достигается в том случае, когда все миофибриллы оплетаются митохондриальной системой так, что образование новых митохондриальных структур становится невозможным. Такое явление хорошо показано для миокардиоцитов. Гипертрофия миокардиоцита не сопровождается увеличением концентрации ферментов аэробного метаболизма. Косвенно эту точку зрения подтверждают многочисленные исследования, посвященные влиянию аэробной тренировки, выполняемой с мощностью аэробного порога. Все эти исследования убедительно показывают, что эффективность таких тренировок для уже подготовленных спортсменов равна нулю.

Следовательно, для повышения аэробных возможностей МВ-1 необходимо создать в МВ структурную основу - новые миофибриллы, после этого около новых миофибрилл образуются новые митохондриальные системы. Если согласиться с этим методом повышения аэробных возможностей, то увеличение силы (гиперплазия миофибрилл) ММВ должно привести к росту силы и потребления кислорода на уровне АэП и АнП.

В ПНИЛ ГЦОЛИФК был проведен эксперимент для проверки корректности этого предположения.

Методика. Из студентов и сотрудников института физической культуры были сформированы две группы Э - экспериментальная и К - контрольная. В контрольной группе (n=10) испытуемые два раза в неделю педалировали на велоэргометре с темпом 70-80 об/мин и мощностью АэП в течение 50 мин. Испытуемые Э группы (n=7) выполняли такую же тренировку, к тому же они два раза в неделю выполняли силовую тренировку, направленную на гиперплазию миофибрилл в ММВ. Одна силовая тренировка носила развивающий характер. Испытуемые приседали со штангой в статодинамическом режиме (из максимально глубокого приседа испытуемые вставали до угла в коленном суставе 100-110°), вес штанги подбирался таким, чтобы упражнение длилось не более 60 с. Все испытуемые сделали три серии по три подхода к снаряду в каждой серии. Внутри серии интервал отдыха составлял 30 с, между сериями 10-12 мин активного отдыха (ходьба). Другая силовая тренировка выполнялась через 4 дня. Она включала четыре подхода к штанге с интервалом активного отдыха 10-12 мин. Эксперимент длился шесть недель.

У всех испытуемых были измерены аэробные (мощность АэП и АнП) и силовые возможности (предельный вес штанги) до и после эксперимента.

Результаты. В контрольной группе мощность АэП и АнП изменилась недостоверно. В экспериментальной группе сила выросла на 20% (р<=0,001), аэробные возможности на 20% (р<=0,001), было АэП 125±31 Вт, АнП 163±36 Вт, стало АэП 155±42 Вт, АнП 189±45 Вт.

Обсуждение. Применение статодинамических упражнений привело к росту силы и, судя по прибавке внешнего сопротивления при достижении АэП, за счет ММВ. Увеличение мощности на уровне АнП свидетельствует о росте аэробных возможностей ММВ, т.е. удалось получить подтверждение эффективности предложенной методики гиперплазии миофибриллярных митохондрий в МВ-1 или в ММВ.

Эффективными для повышения МПК или потребления кислорода на уровне АнП являются непрерывные упражнения на уровне АнП или повторный метод тренировки с мощностью работы на уровне МПК. В этом случае рекрутируются как МВ1, так и более высокопороговые МВ2, в которых мало митохондрий. Увеличение мощности требует рекрутирования все более высокопороговых ДЕ, в МВ которых преобладает анаэробный гликолиз, что ведет к закислению БМВ, а затем ММВ и крови. Закисление МВ3 и МВ2 ведет к деструктивным изменениям в митохондриях, снижению эффективности аэробной тренировки.

Экспериментальное подтверждение основных положений аэробной подготовки можно найти в следующих исследованиях.

Группа студенток (35 испытуемых) выполняла: 1) педалирование на велоэргометре с темпом 60 об/мин и с ЧСС более 180 уд/мин до отказа; 2) педалирование с тем же темпом, мощность упражнения соответствовала ЧСС 170 уд/мин, продолжительность - 30 мин; 3) то же упражнение, мощность меньше - ЧСС 150 уд/мин; 4) то же упражнение, мощность еще меньше - ЧСС 130 уд/мин. До и после эксперимента производился забор крови из пальца для определения концентрации лактата и мочевины. Забор крови проводился также утром натощак в течение четырех дней восстановления. Концентрация лактата определялась по Штрому, а мочевины (Мо) по биотесту Лахемиа.

Результаты. Первое упражнение вызывало интенсификацию аэробного и анаэробного гликолиза, концентрация лактата по окончании упражнения достигала 11,0-15,0 ммоль/л. У всех испытуемых были обнаружены достоверные изменения Мо на следующий день. Произошло увеличение концентрации Мо на 2,0-6,0 ммоль/л, а возвращение к норме лишь на 3-й день восстановления. Причина усиленного катаболизма белка лежит, как это представляется, в накоплении в мышце высокой концентрации ионов водорода, разрушении части органелл, в частности митохондрий, которые затем в течение 3-4 дней элиминируются. Результаты 2,3 и 4-го опытов косвенно подтверждают это предположение. Уменьшение интенсивности нагрузки (ЧСС - 170, 150, 130 уд/мин) привело к тому, что изменение Мо стало значительно меньше, показатель Мо возвращается к норме уже на следующий день.

Эти результаты согласуются с данными работы J.Friden e.a. (1988). Здесь шесть спортсменов выполняли спринтерскую тренировку, а пять других спортсменов были контрольной группой. Тренировка выполнялась на тредбане, испытуемые сделали 20 повторений бега по 25 с, интенсивность 86% от максимальной, отдых между повторениями 2 мин 36 с, т.е. старт каждую 3-ю минуту. У бегунов измеряли концентрацию лактата по ходу тренировки и в период отдыха. Мышечная биопсия была взята у контрольной и экспериментальной группы на 2-м часу после тренировки.

Результаты. Максимальная величина накопления лактата после упражнения составила 15±2 ммоль/л, т.е. такой же как и в предыдущем эксперименте. Это дает основание предположить, что морфологические изменения в обоих экспериментах должны быть сходными. Мышечная композиция была МВ1 40%; МВ2 - 30%; МВ3 - 30%.В 36% анализируемых МВ были обнаружены морфологические отклонения. Никаких серьезных повреждений, связанных с фагоцитозом, не было. Большинство случаев было связано с нарушением Z-пластинок. Чаще нарушение миофибрилл встречалось в МВ3, что связывают со взаимным влиянием больших механических нагрузок (отрицательная работа четырехглавой мышцы на опоре) и высокой концентрацией лактата, точнее ионов водорода. Митохондриальные изменения совпадают с теми наблюдениями, которые имеют место при ишемии H.Hoppeler (1986). Многочисленные ненормальные митохондрии были заметны под сарколеммой. Эти митохондрии имеют увеличенную плотность, измененную форму и паракристаллические включения. Кристаллические включения в митохондриях обнаруживаются при различных патологических состояниях (смотрите обзор Carpenter and Karpati, 1985). Это дает основание предположить, что структурно нарушенные клетки не могут функционировать нормально. Полирибосомы располагаются либо под сарколеммой, либо рядом с поврежденными миофибриллами, предполагается их участие в процессе реконструкции поврежденного материала. Авторы делают вывод, что частое использование такого варианта тренировки может привести к серьезным повреждениям в мышцах.

Одним из аргументов против предложенной методики увеличения аэробных возможностей ММВ за счет роста силы (МФ) является мнение - с увеличением размера МВ затрудняется процесс диффузии О₂ к центру МВ. Однако исследования Т.Gayeski e.a. (1986) показали, что рО₂ не коррелирует с диаметром МВ. Минимальное рО₂ наблюдается не в центре МВ. Эти экспериментальные данные хорошо воспроизводят модели, которые учитывают облегченную диффузию кислорода внутрь МВ посредством миоглобина Р.Stroeve (1982). Следовательно, размер МВ не является препятствием к росту аэробных возможностей ММВ.

Правила методики аэробной подготовки могут быть представлены так:

- интенсивность соответствует мощности АнП;

- продолжительность 5-20 мин, большая продолжительность может привести к значительному закислению крови и МВ-2 в случае превышения заданной мощности;

- интервал отдыха 2-10 мин необходим для устранения возможного закисления организма;

- максимальное количество повторений в тренировке ограничивается запасами гликогена в активных мышцах (примерно 60-90 мин чистого времени тренировки);

- тренировка с максимальным объемом повторяется через 2-3 дня, т.е. после ресинтеза гликогена в мышцах.

Высокую эффективность имеет вариант аэробной подготовки, который в последнее время получил большое распространение в практике подготовки спортсменов в циклических видах спорта. Это тренировки, требующие проявления "мышечной выносливости". Смысл их заключается в том, что в циклическом упражнении каждое сокращение мышцы должно выполняться с околомаксимальной интенсивностью, но средняя мощность упражнения не должна превышать мощности АнП. В этом случае в упражнении активны все МВ, однако благодаря управлению паузой отдыха или периодом расслабления мышцы должно полностью обеспечиваться устранение продуктов метаболизма анаэробного гликолиза.

Упражнения с околомаксимальной мощностью сокращения мышц и редким темпом изучали J.Karlsson e.a. (1981). Было показано, что упражнения с темпом четыре максимальных сокращения в минуту вызывают снижение концентрации АТФ на 20%, КрФ на 40%, концентрация лактата в мышце увеличивается до 4,5 мМ/л. В целом упражнение было аэробным, энергия поступала из эндогенного гликогена ММВ и БМВ.

Для демонстрации процессов долговременной адаптации такой аэробной подготовки необходимо изучить реакцию организма на значительный по продолжительности тренировочный процесс. О реакции митохондриальной системы на физические упражнения можно судить по данным работы Gaesser и Poole (1986). Здесь испытуемые (4 мужчины, 2 женщины; возраст 24,7±1,9; длина тела 176±4,7 см; масса 69,0±5,3 кг) тренировались на велоэргометре три недели, по шесть раз в неделю, по 30 мин каждая тренировка. Интенсивность педалирования находилась в пределах 70-80% от МПК. На седьмой день все испытуемые выполняли ступенчатый тест для измерения МПК, показателей на уровне АнП.

Результаты. За три недели тренировки значительно выросло МПК (на 392±102 мл/мин), потребление кислорода на уровне АнП (на 482±135 мл/мин). Следует также отметить снижение ЧСС при достижении АнП со 169 до 150 уд/мин за три недели тренировки.

Эти результаты согласуются с данными других исследований (В.Лигута, 1983) - за 8-40 недель тренировки удается повысить АнП на 300-600 мл/мин. Причиной столь значительного увеличения потребления кислорода является применение для малоподготовленных испытуемых упражнения, требующего рекрутирования почти всех МВ к концу упражнения в каждой тренировке. При этом упражнение в целом носило аэробный характер. Заметим, что темп педалирования составил только 50 об/мин, т.е. это типичная горная подготовка для велосипедиста, когда испытуемый должен ощущать необходимость давить на педали с максимальным усилием, а проблем с дыханием не возникает. Поэтому нельзя сопоставлять темпы прироста потребления кислорода, полученные в этом исследовании с другими, в которых активируется только половина МВ или еще меньше. Как уже было сказано, применение упражнений с интенсивностью ниже АэП практически не дает каких-либо улучшений в окислительных способностях мышц.

В работе Pool, Gaesser (1985) проведено сравнение трех вариантов тренировок.

1-й вариант: И = 50% МПК, П = 55 мин, КТ = 3 р/н.

2-й вариант: И = 70% МПК, П = 35 мин, КТ = 3 р/н.

3-й вариант: И = 102% МПК, П = 2 мин, ИО = 2 мин КП = 10, КТ = 3 р/н.

Все тренировки привели к росту МПК, мощности на уровне АнП, но наибольшие изменения произошли в 3-м варианте.

Длительная аэробная подготовка влияет на отношение С и М форм ЛДГ в МВ. Sjodin e.a. (1976) показали увеличение синтеза С-ЛДГ после 12 месяцев подготовки стайеров. У спортсменов, выполнявших повторную работу (И=60% МАМ6, П=2мин, ИО=5-10 мин, КП=10, КТ=3 р/н) гликолитического характера в течение двух месяцев, заметных изменений в соотношении форм С и М ЛДГ не наблюдалось.

2.2.1. Имитационное моделирование реакции митохондриальной системы скелетных мышц на физические упражнения

Адекватность имитационной модели наблюдалась в ходе двух серий экспериментов: 1) изучение реакции митохондриальной системы на упражнения разной интенсивности и продолжительности; 2) изучение реакции модели на экспериментальные программы описанных выше исследований.

Результаты ИМ с изменением интенсивности и продолжительности тренировки представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Влияние продолжительности выполнения упражнений с различной интенсивностью и продолжительностью на массу МФ и МХ

Примечание: Т - продолжительность тренировки; умер - это состояние модели, когда в результате уменьшения массы железы снижается концентрация гормонов в крови, тормозятся процессы синтеза плазмоклеток, поэтому снижаются возможности имунной системы противостоять инфекции, начинается накопление антигенов до концентрации, несовместимой с жизнью спортсмена.

Здесь показаны изменения массы митохондрий за 20 дней ежедневной тренировки. Можно отметить следующие тенденции:

- увеличение продолжительности тренировки при заданной интенсивности приводит к росту эффективности тренировки, однако при достижении определенной продолжительности занятия начинает сказываться отрицательное действие усиленного метаболизма гормонов по ходу выполнения упражнения, увеличивается вероятность заболевания;

- увеличение интенсивности упражнения при заданной продолжительности приводит к увеличению эффективности тренировки, но при превышении мощности АнП эффективность начинает снижаться и повышается вероятность заболевания.

Таким образом, при планировании аэробной подготовки необходимо принимать во внимание два процесса - увеличение интенсивности (до 40%) и продолжительности упражнения ведет к повышению эффективности аэробной подготовки, вместе с тем растет вероятность появления такого стресса, который связан с ОАСС. Задача тренера найти оптимум. Для проверки адекватности модели было проведено ИМ эксперимента, в котором на протяжении 40 недель ежедневно выполнялось упражнение: интенсивность 30%, продолжительность тренировки 30 мин. Результатом ИМ стало увеличение на протяжении 50 дней массы митохондрий, а затем процесс затормозился. Масса митохондрий пришла в соответствие с массой миофибрилл. В связи с тем, что такая тренировка не способствует росту миофибрилл (силы), то её продолжение в таком варианте становится не эффективным. Этот результат согласуется с данными, представленными в докторских диссертациях Н.Волкова и М.Гордона, в которых было показано, что применение в неизменном виде аэробной тренировки приводит сначала к росту, а затем к стабилизации работоспособности спортсмена.

2.3. Методы гиперплазии саркоплазматического ретикулума и митохондрий на его мембранах

Быстрота движений человека определяется: скоростью сокращения и расслабления мышц в соответствии с программой и внешними условиями.

Скорость сокращения мышцы обусловлена АТФ-азной активностью миозина, т.е. скоростью поворота мостиков, а также длиной мышечных волокон, скоростью выхода кальция из саркоплазматического ретикулума. Поскольку высокой АТФ-азной активностью обладают БМВ, а мышечная композиция наследуется, то специально тренироваться для увеличения скорости сокращения мышц бессмысленно. Скорость сокращения мышц при некотором внешнем сопротивлении увеличивается благодаря росту силы ММВ и БМВ.

Скорость расслабления мышц - энергозависимый процесс. Расслабление мышц начинается после прекращения электрической активации, с откачиванием ионов Са в цистерны СПР или за пределы МВ. Кальциевые насосы функционируют с затратой энергии, содержащейся в АТФ. Следовательно, скорость выхода Са зависит от количества насосов, т.е. от размера СПР и скорости поставки энергии для их функционирования. Источником энергии является анаэробный или аэробный гликолиз. В первом случае быстро накапливаются ионы Н, что ведет к локальному утомлению. Во втором случае ионы водорода поглощаются, что ведет к замедлению развития локального утомления.

Таким образом, для разрастания саркоплазматического ретикулума необходимо добиться гиперплазии миофибрилл, тогда для обеспечения их функционирования обязательно потребуется разрастание СПР. Это предположение вытекает из гипотезы о симморфозе, которая утверждает, что количество структурных элементов регулируется так, чтобы "удовлетворять, но не превышать потребностей функционирующей системы". В основе гипотезы лежит методологический принцип "целесообразности" строения живых организмов.

Силовые тренировки ведут к росту абсолютного числа миофибрилл, однако объемная плотность их в МВ не растет (этот факт подтверждает гипотезу симморфоза).

Значительное разрастание аппарата клетки, прямо не связанное с миофибриллами, происходит при тренировке выносливости, в частности, у неспортсменов объем сарколемных митохондрий составляет 10-15% общего объема митохондрий, у велосипедистов-профессионалов 30% и более (Gollnic, 1986).

Очевидно, что в ММВ достаточно митохондрий (пояснения смотрите ниже), поэтому для решения вопросов гиперплазии митохондрий СПР БМВ предлагается следующая методика.

Для увеличения митохондриальной массы необходимо соблюдать следующие условия:

- митохондрии образуются около тех мест в клетке, в которых требуется энергия (сначала надо создать структуры - миофибриллы, мембраны с насосами, которые поглощают энергию);

- митохондрии размножаются в ответ на интенсивное функционирование, что возможно лишь при адекватном снабжении их кислородом;

- высокие концентрации в МВ ионов Н приводит к деструктивным изменениям в митохондриях.

Теперь для увеличения массы митохондрий СПР в БМВ можно вывести правила выполнения упражнения:

- интенсивность максимальная или околомаксимальная так, чтобы рекрутировались все МВ в тренируемых мышцах;

- продолжительность упражнения не должна превышать 5 с, поскольку надо лишь активизировать функционирование митохондриального аппарата и не создать условий для закисления МВ, упражнение должно быть циклическим с обеспечением хорошего кровоснабжения мышцы;

- интервал активного отдыха должен обеспечить ликвидацию кислородного долга, средняя мощность упражнения не должна превышать мощности АнП (интервал отдыха в пределах 30-60 с);

- количество упражнений за тренировку 20-50, максимальное число повторений лимитируется запасами гликогена в МВ;

- интервал отдыха между тренировками определяется объемом выполненной работы, после максимальной по объему тренировки требуется время для восстановления запасов гликогена, т.е. 2-3 суток.

Имитационное моделирование варианта тренировки (И=90%, П=5 с, ИО=30 с, КП=10, всего 200 тренировок) дало следующие результаты. Масса миофибрилл к 100-му дню составила 104%, к 200-му - 108%. Масса митохондрий соответственно увеличилась на 126% и 144%. Важно заметить, что к 200-му дню тренировки масса митохондрий выросла до своего предела, ограниченного массой миофибрилл, поэтому дальнейший прогресс аэробного потенциала возможен только после увеличения силы мышц, количества миофибрилл.

Если при подготовке к спринтерским соревнованиям выполняются соревновательные упражнения по описанной методике, то удается решить проблему повышения темпа (например, в спринтерском беге).

Для увеличения темпа движений, очевидно, необходимо увеличить гипертрофию мышц (гиперплазию миофибрилл в МВ), обеспечивающих возвратно-поступательное движение конечностей. На фоне заданного уровня силовых возможностей мышц темп может вырасти на основе улучшения процесса управления (активации) мышцами. Ограничения на рост темпа могут накладывать процессы расслабления мышц, если мышцы расслабляются с задержкой, то при начале сокращения одной мышцы, другая - мышца-антагонист может мешать из-за неполного ее расслабления.

2.4. Метод углеводного насыщения мышц (МУН)

При выполнении мышечной работы мобилизуются углеводные ресурсы. Эти ресурсы сосредоточены в печени и работающих мышцах. Скорость выхода глюкозы из печени в кровь при выполнении упражнения большой мощности 0,3 г/мин. Глюкоза крови потребляется мозговой тканью, миокардом, поэтому при снижении ее концентрации до 40 мг%, резко нарушается деятельность ЦНС, возникает гипогликемическое состояние. Активные мышцы в основном потребляют углеводы из запасов каждого мышечного волокна. В зависимости от мощности упражнения гликоген тратится неравномерно в различных по типу МВ. При выполнении упражнения с мощностью 65% МПК гликоген расходуется в основном в ММВ, при увеличении мощности гликоген начинает преимущественно тратиться в БМВ (Gollnick е.a., 1973, 1986). Ясно, что в первом упражнении активны были только ММВ, а во втором активны также часть БМВ, при функционировании которых образуется лактат. Этот лактат попадает в кровь и соседние ММВ. Лактат крови утилизируется в миокарде и диафрагме. Лактат, попадающий в ММВ, ингибирует окисление жиров, с помощью ферментов С-ЛДГ превращается в пируват, который становится субстратом для окислительного фосфорилирования. Следовательно, ММВ питаются углеводами как своими, так и теми, что поступают из активных БМВ. Это приводит к экономизации запасов гликогена в ММВ.

После прекращения работы происходит постепенное восстановление запасов гликогена, при предельном истощении этот процесс длится 2-3 суток и далее наступает сверхвосстановление. Это явление было изучено более подробно Я.Коцем с сотрудниками Проблемной НИЛ ГЦОЛИФК, что позволило разработать метод углеводного насыщения.

Первый компонент МУН - истощение гликогена в рабочих мышцах. Достигается интенсивной физической нагрузкой (на уровне АнП) и пищевым рационом, лишенным до сна углеводов (питание белками). Такой безуглеводный рацион предотвращает восстановление гликогена в рабочих мышцах и усиливает истощение запасов гликогена в МВ.

Второй компонент МУН - перевосстановление гликогена в рабочих мышцах. Достигается путем использования углеводного рациона на протяжении трех суток, начиная с завтрака следующего дня после истощающей физической нагрузки.

Экспериментальная проверка Л.Алихановой (1983) МУН упражнений, выполняемых на велоэргометре, и Р.Гилязовым (1987) у лыжников-гонщиков, показала, что продолжительность работы до отказа увеличивается в два раза, значительно улучшились достижения в соревнованиях у лыжников на дистанции 50 км.

2.5. Методы тренировки сердечной мышцы

Минутный объем кровообращения определяется ударным объемом сердца и частотой сердечных сокращений. Частота сердечных сокращений достигает своего предела при величинах 190-220 (бывает и более) уд/мин. Ударный объем сердца увеличивается до пульса 120-130 уд/мин, при дальнейшем увеличении ЧСС ударный объем сердца стабилизируется, а затем начинает уменьшаться после достижения ЧССмак.

Основным фактором увеличения минутного объема кровообращения является ударный объем сердца, который определяется дилятацией желудочков и гипертрофией миокарда. Гипертрофия миокарда достигается благодаря ускорению синтеза белка в миокардиоцитах, т.е. гиперплазии миофибрилл, а на этой основе разрастания сети митохондрий (теория симморфоза). Для интенсификации синтеза миофибрилл необходимо создать в миокардиоцитах:

- запас аминокислот;

- повышенную концентрацию гормонов;

- высокую концентрацию свободного креатина;

- повышенную концентрацию ионов водорода.

Для создания таких условий необходимо инициировать в миокардиоцитах анаэробный гликолиз. В острых опытах на животных это достигается простым пережатием (сужением) коронарных артерий. В результате таких действий мышца сердца испытывает гипоксемию, в ней идет анаэробный гликолиз, гипертрофия сердца достигает 80% уже через пять суток (Ф.Меерсон, 1965, 1981).

У человека или животного гипоксическое состояние возникает при достижении состояния "дефекта" диастолы. Это появляется при достижении максимальных частот сердечного сокращения, когда диастола сокращается настолько, что сердечная мышца не успевает полностью расслабиться, в результате возникает гипоксическое состояние. Следовательно, имеем:

- высокую концентрацию свободного креатина;

- повышенную концентрацию ионов водорода в миокардиоцитах.

Анализ изложенного механизма гипертрофии миокардиоцитов приводит к формулировке правил метода, разработанного ранее Рейнделом - метода интервальной тренировки.

Правила методики гипертрофии сердечной мышцы:

- интенсивность - упражнение выполняется с мощностью выше МПК, предельная продолжительность такого упражнения 4-10 мин;

- продолжительность упражнения 60-120 с, следить за тем, чтобы максимальная ЧСС сохранялась только 30-60 с;

- интервал отдыха 120-180 с, до восстановления ЧСС 120 уд/мин;

- количество повторений 30-40 упражнений или 60-90 мин чистого времени упражнений, предел связан с запасами гликогена в скелетных мышцах;

- тренировка повторяется через 4-7 дней после предельной по продолжительности тренировки.

В подтверждение корректности рассуждений приведем данные Б.Никитюка с С.Талько (1991). Результаты получены на крысах и это понятно, поскольку на живом человеке провести аналогичные исследования пока нельзя. Для эксперимента были сформированы три группы: контрольная, экспериментальные 1 (э-1) и 2 (э-2). Экспериментальные крысы ежедневно бегали: в э-1 группе сначала медленно, к концу эксперимента скорость выросла на 30%, продолжительность составила 55-65 мин; в э-2 группе сразу поддерживалась предельная скорость и продолжительность бега.

В результате было показано, что в э-1 группе наибольшие изменения происходят на субклеточном уровне: значительно увеличилось число митохондрий, уменьшился их размер, соотношение между митохондриями и миофибриллами, размером клетки и ядер не поменялось, соединительнотканный каркас остается ажурным, что, как предполагается, обеспечивает диллятационные возможности сердца. В э-2 группе быстро происходили изменения: увеличивалась масса сердца, нарушалось соотношение между митохондриями и миофибриллами, размером клетки и размером ядер, видимо, снижаются эластические свойства миокарда.

В сосудах происходят похожие процессы - у перегруженных животных нарушается соотношение между размерами цитоплазмы и ядром гладкомышечной клетки сосудов.

Следовательно, ежедневные неадекватные нагрузки ведут к явлениям дистрофии миокардиоцитов и клеток сосудов, которая обнаруживается только на субклеточном уровне.

Косвенно о результатах аналогичной тренировки (6 раз в неделю, 7 недель, И=85-90% МПК, П=40-55 мин) можно судить по результатам исследований М.Cox e.a. (1986). За 7 недель МПК выросло на 32% (испытуемые были не тренированными), размер левого желудочка в конце диастолы увеличился с 4,96 до 5,13 см, толщина межжелудочковой перегородки прибавилась на 11-15%.

В связи с активностью всех миокардиоцитов при каждой систоле мышца сердца всегда находится на пределе функциональных возможностей, т.е. отношение миофибрилл к митохондриям предельное. Это связано со следующими явлениями:

- после интервальной тренировки, дающей прирост МФ в миокардиоцитах, новые МФ "обрастают" новыми митохондриями;

- процессы детренировки идут очень медленно.

Например, I.Giovanna (1990) обследовал 16 футболистов и 7 боксеров в возрасте 40-60 лет, которые занимались профессиональным спортом 16 лет и не тренировались более 10 лет. ЭКГ показала признаки гипертрофии левого желудочка, нарушение проводимости. Эхокардиография подтвердила эти данные: масса сердца была 332±90, у лиц того же возраста 220±27 г.

Относительно самостоятельным, законченным и повторяющимся фрагментом тренировочного процесса является микроцикл - совокупность нескольких тренировочных занятий. Различают также мезоструктуру и макроструктуру тренировочного процесса. В этой главе будет дано теоретическое обоснование причин возникновения в тренировочном процессе чередующейся последовательности разного вида тренировочных занятий при подготовке к соревнованиям, требующим поддержания заданной мощности до конца дистанции, т.е. будут рассмотрены основные закономерности планирования физической подготовки спринтера, средневика, стайера и марафонца.

Физическая подготовленность определяется степенью морфологических перестроек в клетках тканей органов, участвующих в обеспечении соревновательного упражнения. Это представление доказано биологами и не подвергается сомнению специалистами по теории физического воспитания. Однако биологические закономерности еще не используются в полном объеме в современных теориях построения спортивной тренировки. Пока в учебниках есть ссылки только на работы Фольборта 1948-1950 гг. Л.Матвеев и Ф.Меерсон (1984) сделали попытку привлечь закономерности адаптации мышечной клетки (миокардиоцитов) к физическим нагрузкам для объяснения принципов построения спортивной тренировки. Эту попытку сами авторы, видимо, признали недостаточно удачной, поскольку продолжения не последовало, ими было замечено, что выбранный подход "грешит" редукционизмом. Действительно, использование закономерностей функционирования клетки для объяснения явлений, наблюдаемых при движении целого организма, является очень грубым приближением к реальности. В этом случае нарушаются методологические принципы - системности и природной специфичности. Попытки применения биологических закономерностей в теории спортивной тренировки делает Ю.Верхошанский (1985-1991). Публикация 1991 г. в журнале "Теория и практика физической культуры" вызвала несколько откликов с серьезными критическими замечаниями. Однако критика получилась односторонней. Оппоненты заметили положительную сторону статьи Ю.Верхошанского - привлечение к теории построения тренировки биологических закономерностей, однако не увидели пути применения этих знаний. Справедливости ради надо сказать, что и Ю.Верхошанский не смог ясно изложить "фундаментальные основы научной теории и методики спортивной тренировки".

Причиной трудностей в создании "научной теории и методики спортивной тренировки" у Ю.Верхошанского, Л.Матвеева, Ю.Сергеева, В.Платонова, М.Гордона и др. является ЭМПИРИЗМ. В настоящее время в науковедении хорошо известно, что построение теории невозможно в рамках эмпирического развития, Эйнштейн называл эту мысль величайшим достижением ХХ века. Теория должна строиться с применением моделей - идеальных объектов, закономерности в теории должны строго выводиться при изучении функционирования модели. Корректная теория должна непротиворечиво объяснять сущность основных эмпирических закономерностей.

Цель этой главы - показать пути разработки планов теории физической подготовки спортсменов на основе биологических закономерностей.

Для построения плана физической подготовки необходимо:

- построить модель организма спортсмена; в ПНИЛ созданы две модели: одна имитирует краткосрочные процессы адаптации КПА, другая имитирует долгосрочные процессы адаптации ДПА;

- изучить закономерности ее поведения в ходе имитационного моделирования;

- разработать на основе обнаруженных (теоретически) биологических закономерностей планы тренировки;

- в ходе педагогического эксперимента (или по имеющимся данным) доказать адекватность решения.

3.1. Закономерности построения тренировочного занятия

Имитационное моделирование позволяет изучить свойства модели, в нашем случае реакцию модели на различные варианты планирования нагрузок.

Реакция модели ДПА проверялась на упражнениях скоростно-силового, гликолитического и аэробного характера. Параметры скоростно-силового упражнения: интенсивность И=90%; продолжительность П=0,5 мин; интервал отдыха ИО=10 мин. Эти данные вводились в ЭВМ неизменными, количество повторений этого упражнения менялось. Сначала ввели одно повторение и вычислили, смотрели, что произойдет через 180 дней при ежедневной тренировке, затем увеличивали количество повторений на одно и снова вычисляли. Всего провели 17 вычислений по 180 дней.

Параметры гликолитического упражнения: И=60%; П=2 мин; ИО=5 мин; длительность тренировки ДТ=180 дней; количество повторений (вычислений) КП от 1 до 10.

Параметры аэробного упражнения: И=30% (мощность выше АнП); П=3 мин; ИО=3 мин; ДТ=180 дней; КП от 1 до 24.

Результаты. В табл. 2 приведены данные расчетов.

Таблица 2.

Результаты имитационного моделирования, вычислений по модели различных вариантов планирования нагрузок

Оптимальный объем скоростно-силовой тренировки для гиперплазии МФ МВ составил 7 повторений, МХ - 3, максимальный объем упражнений при обеспечении нормального состояния эндокринной системы МЖ - 16. Оптимальный объем гликолитической тренировки для гипертрофии МФ - 4, МХ - 3, МЖ - 9. Оптимальный объем аэробной тренировки для гиперплазии МФ - 1, МХ - 24 (может быть и больше, однако есть опасность появления признаков ОАСС), МЖ-15.

Обсуждение. Выполнение скоростно-силовых упражнений требует максимальной активации ЦНС. Это вызывает активизацию деятельности не только мышц, но и эндокринной системы. В крови резко увеличивается концентрация гормонов. Гормоны содержатся в крови достаточно долгое время (1-2 часа), причем несколько повышенная концентрация их может сохраняться в течение 1-2 суток. Элиминируются гормоны в ходе метаболизма, часть аккумулируется в клетках печени, желез, в которых они образовались, мышцах. Следовательно, увеличение объема скоростно-силовых упражнений должно приводить к росту концентрации гормонов в крови, но одновременно усиливается метаболизм, растет вероятность утилизации гормонов. Поэтому сначала наблюдается рост массы МФ (до 6-7 упражнений), а затем эффективность тренировки падает. Масса МХ тоже сначала увеличивается, а затем падает, поскольку скоростно-силовые упражнения приводят мышцы к сильному закислению, что разрушает митохондрии.

При увеличении количества повторений до 10 масса МХ к концу подготовки (180 дней) становится меньше исходного уровня. Активность эндокринной системы стимулирует синтез в мышцах, а также гиперплазию клеток самой условной железы. Поэтому наблюдается увеличение массы железы (МЖ). Рост продолжительности тренировки, усиление метаболизма гормонов приводит к нарушению баланса между скоростью их синтеза и разрушения, далее может наступить деградация железы. В нашем случае такая грань соответствовала 16 повторениям скоростно-силовых упражнений за тренировку. Дальнейшее увеличение объема тренировки приведет к деградации железы, снижению возможности эндокринной системы в обеспечении организма гормонами. В этом случае эффективная тренировка невозможна, требуется отдых, преодоление симптомов общего адаптационного синдрома Г.Селье (ОАСС). В модели в такие моменты подготовки замедляется синтез плазмоклеток, что приводит к иммунодефициту, регулярным заболеваниям. Аналогичная картина наблюдается при выполнении гликолитических (гл.у.) и аэробных упражнений (а.у.). Анализ приведенных данных показывает, что модель воспроизводит известные эмпирические явления: гетерохронность адаптации различных систем, перетренировку, т.е. ОАСС, иммунодефицит. Подтверждение находят и принципы, выражающие специфические закономерности построения физического воспитания. В частности, принцип непрерывности, обязывающий гарантировать перманентную преемственность эффекта занятий и принцип системности чередования нагрузок и отдыха. Они проявляются при вычислении оптимального объёма нагрузки в тренировке, когда удается добиться максимального кумуляционного эффекта занятий за счет правильного выбора объема нагрузки и интервала отдыха после тренировки (в данном случае этот интервал задан - одни сутки).

В практике спорта тренеры работают на пределе возможностей спортсмена, поэтому идет поиск методов, позволяющих увеличить объем упражнений без нарушения здоровья спортсмена. Один из таких подходов - двухразовые тренировки в одном занятии, в один день. Исследуем этот прием с помощью имитационного моделирования.

Параметры тренировочных занятий:

двухразовая скоростно-силовая тренировка в день:

И=90%, П=0,5 мин, ИО=10 мин, КП - цель моделирования, вторая тренировка повторяет первую и выполняется через 6 часов.

двухразовая аэробная тренировка в день:

И=30%, П=3 мин, ИО=3 мин, КП - цель моделирования, вторая тренировка повторяет первую и выполняется через 6 часов.

двухразовая скоростно-силовая (количество повторений 7) и аэробная (КП=14) тренировки в одном занятии.

двухразовая аэробная (КП=14) и скоростно-силовая (КП=15) тренировки в одном занятии.

двухразовая скоростно-силовая (КП=7) утром и аэробная (КП=14) вечером тренировки в один день.

двухразовая аэробная (КП=14) утром и скоростно-силовая (КП=15) вечером тренировки в один день.

Результаты и обсуждение. В табл. 3 представлены результаты вычислений. Видно, что применение двухразовых тренировок в день позволяет без ущерба для здоровья (МЖ=123%) увеличить объем упражнений на 20% и улучшить результат (ММФ=117%, 100 м - 11,63 с). Аналогичный результат получился при двухразовых аэробных тренировках в день, объем вырос на 20%, результат на 30 с (ММХ=160%, 10000 м - 30мин 53 с). Улучшение можно объяснить тем, что разделение единой нагрузки на части позволяет минимизировать метаболизм гормонов, т.е. отодвинуть момент наступления стресса. Более частое деление нагрузки - на три, четыре и более частей в один день позволит еще более увеличить объем.

Таблица 3.

Результаты имитационного моделирования, вычислений по модели различных вариантов планирования нагрузок

Применение разнонаправленных тренировок в одном занятии или дне показывает, что эффективнее использовать сначала аэробную тренировку, а затем скоростно-силовую. Обусловлено это тем, что скоростно-силовая тренировка вызывает выделение в кровь большого количества гормонов, поэтому применение аэробной тренировки приведет к их ускоренному метаболизму. Функция гормонов - ускорение синтеза белков - не будет в полной мере реализована. Если поменять очередность тренировок или увеличить интервал отдыха между тренировками, то отрицательный эффект снимается, поскольку гормоны будут несколько часов способствовать интенсивному синтезу белка в клетках, содержащих и-РНК.

Таким образом, планировать тренировочное занятие или тренировку в пределах одного дня надо с учетом принципа - "экономии гормонов", который в неявном виде содержится в педагогическом принципе системного чередования нагрузок и отдыха.

Процессы синтеза органелл в клетках функционировавших тканей идут с разным темпом, поэтому при построении микроцикла необходимо учитывать интервал отдыха после тренировки, нужный для сверхвосстановления, т.е. гиперплазии органелл. Исследуем с помощью имитационного моделирования процессы восстановления в системах и органах (модели).

В качестве исходной точки в расчетах был выбран объем нагрузки, вызывающий при ежедневной тренировке поддержание или некоторое угнетение состояния массы условной эндокринной железы.

Из результатов расчетов, представленных в табл. 4, видно, что применение завышенных объемов при ежедневных тренировках приводит к угнетению эндокринной и иммунной систем. Включение в микроцикл дней отдыха (ДО) улучшает состояние эндокринной и иммунной систем, это стимулирует синтез миофибрилл и митохондрий. Каждый вариант тренировки требует вполне определенного количества дней отдыха, однако ни один из них не позволяет улучшить показатели: МФ, МХ более, чем в случае применения оптимальных по объему нагрузок (см. табл. 2).

Принцип "экономии гормонов" можно распространить и на построение микроцикла. Потребность в построении микроцикла длительностью более одного дня возникает в случае необходимости сочетания тренировок, направленных на гиперплазию органелл, выполняющих различную функцию.

3.2. Планирование физической подготовки спринтера

Под спортивным результатом спринтера будем понимать максимально возможную работу, которую может выполнить спортсмен (модель) при заданном внешнем сопротивлении - 30% от максимальной силы, за 10 с функционирования.

Выявим факторы, определяющие результат нашего спринтера. Мощность мышцы зависит от силы и скорости ее одиночного сокращения. Уровень силы обусловлен количеством миофибрилл в активных МВ, а скорость - активностью миозиновой АТФ-азы, т.е. наследственной предрасположенностью. Если интервал времени сокращения мышцы составляет 0,2 с, расслабления - 0,4 с, то за время расслабления мышца не успеет полностью ресинтезировать АТФ и КрФ. Поэтому по ходу выполнения упражнения происходит падение концентрации КрФ и накопление в БМВ и ММВ (так как доставка кислорода первые 3-7 с не адекватная, МОК еще очень низок) ионов водорода, которые конкурируют с ионами кальция на активных центрах миозина, что ведет к снижению силы и мощности сокращения мышцы. Для поддержания мощности сокращения мышцы по ходу упражнения выгодно иметь в МВ большую массу митохондрий и связанную с ней массу миоглобина. Кислород, присоединенный к миоглобину, должен облегчить функционирование мышцы в первые секунды работы, минимизировать степень накопления ионов Н в МВ. Увеличение аэробных возможностей способствует также расслаблению мышцы, поддерживает процесс откачивания ионов кальция в цистерны СПР. Эффективное расслабление связано с поддержанием темпа, особенно это важно в работе мышц-антагонистов. В случае неполного расслабления мышцы-антагониста мышца-синергист будет часть энергии тратить на преодоление ее сопротивления.

Следовательно, в ходе тренировочного процесса необходимо изменить количество миофибрилл в ММВ и БМВ, увеличить массу митохондрий в БМВ.

Упражнения для достижения гиперплазии миофибрилл в БМВ и ММВ, митохондрий БМВ описаны в главе 2. При планировании физической подготовки важно рационально разместить эти упражнения в одном тренировочном занятии и по дням тренировки так, чтобы наблюдалась суперкомпенсация по всем необходимым органеллам.

Любой процесс управления начинается с контроля состояния объекта. В случае модели начальное состояние задает экспериментатор: 100 м - 12,2 с; 800 м - 2 мин 16 с; 10000 м - 35 мин 49 с.

Следующий шаг - определение параметров упражнений, требующих наибольшего периода восстановления и размещения этих упражнений на таком интервале по дням от следующего тестирования спортсмена, чтобы был обеспечен эффект сверхвосстановления. Затем размещаются другие необходимые упражнения, но так, чтобы не было отрицательного взаимовлияния.

Наиболее простой случай - ежедневная тренировка с применением упражнений, обеспечивающих преимущественное увеличение массы МФ при достаточном приросте массы митохондрий и сохранении здоровья (массы железы). Основываясь на результатах предыдущего раздела, было выполнено ИМ со следующими характеристиками тренировки: И=90%; П=15+45 с= 1 мин; ИО=10 мин (активный - И=5%); КП=6.

Результат моделирования представлен в табл. 5. За год тренировки наблюдается непрерывный рост массы МФ, менее быстрый рост массы МХ, соответственно улучшаются результаты прежде всего в беге на 100 м. Продолжение тренировки в течение второго и третьего года обеспечивает сохранение обозначенных тенденций.

Точно определить оптимальный объем и интенсивность упражнений в реальном тренировочном процессе невозможно, поэтому, как правило, тренеры завышают объем в надежде скорректировать возможные негативные явления, когда они начинают явно фиксироваться.

Попробуем имитировать такой подход. Увеличим объем (длительность) упражнения по сравнению с приведенным выше, т.е. спортсмен будет пробегать не 6x150 м, а 6x300м (воспитание специальной скоростной выносливости) ежедневно. На экране дисплея можно было наблюдать динамику показателей, через 21 день масса эндокринной железы снизилась до критического уровня. Поддержание такой тренировки далее может привести к развертыванию ОАСС. Для избежания негативных явлений даем облегченную (скоростную) тренировку. В табл. 5 видно, что скоростная тренировка привела к восстановлению эндокринной железы к 42-му дню. Попытка повторить тренировку специальной скоростной выносливости привела к 63-му дню опять эндокринную систему к критическому состоянию, при этом сила практически перестала расти, масса митохондрий снижалась. Представленный вариант тренировки совпадает по смыслу с планированием в подготовительном периоде физической подготовки у спринтеров. Результат в нашем случае был получен типичный - большой объем выполнения упражнений приводит к задержке роста спортивных достижений. В дальнейшем тренеры ожидают кумулятивного эффекта. Что же происходит на самом деле?

Таблица 4.

Результаты имитационного моделирования, вычислений по модели различных вариантов планирования нагрузок (360 дней тренировок)

Выполнение скоростных тренировок приводило к быстрому восстановлению эндокринной системы, интенсивно пошёл прирост силы (МФ), аэробных возможностей (МХ). К 183-му дню все показатели значительно улучшились. Было ли влияние кумулятивного эффекта на конечный результат тренировки? Для ответа на этот вопрос выполним имитацию скоростной тренировки в течение 183 дней в "чистом" виде.

Результат имитации приведен в табл. 4, откуда видно, что достижение в беге на 100 м - 11,74 с выше, чем при планировании тренировки, рассчитанной на кумулятивный эффект (11,85 с), следовательно, кумулятивного эффекта не было, а была сначала неразумная тренировка (в подготовительном периоде), а затем эффективная тренировка. Поскольку 63 дня было отнято от эффективной тренировки, то окончательный результат оказался хуже.

Таблица 5.

Результаты имитационного моделирования, вычислений по модели различных вариантов планирования нагрузок в подготовке спринтеров

Ежедневно тренироваться с максимальной интенсивностью в легкоатлетическом спринте невозможно из-за высокой степени перегрузки опорно-двигательного аппарата, вызывающей микротравмы, а в итоге заболевание сухожилий или надкостницы. Поэтому большие объемы нагрузок максимальной интенсивности лучше выполнять один раз в неделю. В остальные дни недели необходимо обеспечить процессы восстановления затраченной энергии и синтеза новых структур (МФ). Например, тренировка, направленная на увеличение силы ММВ, одновременно может решать две задачи: 1) увеличение массы МФ в ММВ; 2) поддержание синтеза миофибрилл в БМВ за счет выделения в кровь гормонов, повышения их концентрации на несколько часов. Предложения по планированию микроцикла поместим в табл. 6.

Таблица 6.

План подготовки спринтера (микроцикл)

Планирование начинается с определения дня соревнования или контрольного тестирования, в этот день должно быть полное восстановление организма. Если в 7-й день микроцикла проводится тестирование или участие в соревнованиях, то "развивающую" силовую тренировку для гиперплазии миофибрилл БМВ необходимо проводить во 2-й день. Спринтеры легкоатлеты могут сделать 4-6 забегов на 150-200 м, интенсивность 90-100%; интервал отдыха 10-20 мин. Время образования в БМВ одновременно Кр и Н, соответственно и-РНК, складывается из времени упражнения 16-25 с и периода ресинтеза КрФ, еще 40-90 с. Всего около 1-2 мин на один забег. Заметим, что в таких циклических упражнениях гиперплазия МФ и других органелл в ММВ невозможна, в то же время МХ БМВ подвергались значительному влиянию ионов Н и это влияние скорее отрицательное, поэтому в этой строке минус 0,5.

Для гиперплазии МФ в ММВ планируется проведение тренировки в 4-й день с использованием статодинамических упражнений. Эффективность этой тренировки будет повышенной благодаря следовым процессам после тренировки 2-го дня, которая из-за применения упражнений максимальной интенсивности вызывает большой выброс гормонов в кровь. Повышенная концентрация их в крови наблюдается и на следующие сутки.

Гиперплазия митохондрий в ММВ идет только в случае гиперплазии МФ. В БМВ для гипертрофии МХ необходимо регулярно активировать эти МВ, продолжительность их активации не может превышать 8 с. За это время КрФ расщепляется не более чем на 50%, поэтому и не бывает сильного закисления БМВ.

Примером таких упражнений у легкоатлетов могут быть бег 10-15 раз по 30-80 м или прыжки, многоскоки по 30, 50 и 100 м. Такая тренировка может проводиться в 3, 5 и 6-й дни микроцикла.

Имитационное моделирование показало, что за 366 дней тренировок произошло увеличение массы миофибрилл (ММФ=114%), масса митохондрий сначала интенсивно нарастала, а затем стабилизировалась, когда пришла в соответствие с массой миофибрилл (всего масса МХ=147%), масса железы увеличилась (МЖ=119%), это говорит о повышении "адаптационных возможностей" спортсмена, результат в беге на 100 м улучшился до 11,73 с.

Реальность разработанного микроцикла подтверждают данные А.Zajac (1987), который изучал предсоревновательную подготовку сильнейших спринтеров мира. Типичным развивающим недельным микроциклом был следующий:

1) День отдыха, игра в соккер (футбол) 40 мин.

2) 6x100 м скачками, 6-8x150 м - бег вверх по склону холма. Эта тренировка направлена на гиперплазию МФ БМВ.

3) Баскетбол, поднятие тяжестей. Эта тренировка в некоторой степени может воздействовать на увеличение гиперплазии МФ в ММВ.

4) 8-10x150 м ускорение И=70-80% (по 17,5-18,0 с). Эта тренировка в большей степени способствует гиперплазии МХ в БМВ.

5) 9x50 м, прыжковые упражнения, 3x50 с ходу. Эта тренировка направлена на гиперплазию МХ в БМВ.

6) День отдыха.

7) Тестирование, 6x60 максимально быстро.

Сравнение этого микроцикла с теоретически разработанным показывает, что принципиальных различий нет.

3.3. Планирование физической подготовки средневика

Под спортивным результатом средневика будем понимать максимально возможную работу, выполненную за 100-600 с при заданном внешнем сопротивлении - 30% от максимальной силы.

Имитационное моделирование показывает, что при выполнении любого упражнения с предельной продолжительностью 100-600 с причиной отказа от выполнения упражнения является: 1) исчерпание резерва МВ; 2) уменьшение мощности функционирования БМВ в результате закисления.

Следовательно, для достижения большей работоспособности в соревнованиях на средние дистанции в мышцах необходимо увеличить силу ММВ (гиперплазия МФ), вслед за этим увеличится масса МХ, а также, по возможности, массу митохондрий в БМВ. Мышца может эффективно функционировать только в случае адекватного снабжения кислородом, кровью, поэтому необходим контроль возможностей ССС и мышц.

Предположим, что проведено тестирование и выяснилось - наш спортсмен (модель) имеет результаты на 100 м - 12,2 с, 800 м - 2 мин 16 с, 10000 м - 35 мин 49 с, на уровне АнП зафиксирована ЧСС - 168 уд/мин. Результаты тестирования говорят об адекватной работе ССС, лимитирующим звеном является мышечная система. Поэтому цель планирования - увеличение скорости бега на уровне АнП (результат на 10000 м) за счет увеличения гиперплазии МФ в ММВ и роста массы митохондрий в БМВ, при поддержании мощности функционирования миокарда.

Разработаем микроцикл подготовки бегуна на средние дистанции. Базой для роста спортивной формы бегуна на средние дистанции является увеличение массы миофибрилл в рабочих скелетных мышцах, поэтому первый шаг планирования микроцикла - определение момента выполнения силовой тренировки. Для гиперплазии МФ в БМВ предлагается выполнить скоростно-силовую тренировку вечером так, чтобы накопленные в МВ полирибосомы и гормоны могли эффективно функционировать в направлении синтеза новых миофибрилл во время ночного сна.

В течение дня следующих суток повышенная концентрация гормонов сохраняется, поэтому включение аэробной тренировки может привести к интенсивному метаболизму гормонов. Следовательно, более рационально выполнить вечернюю тренировку также силовой направленности, но с включением статодинамических упражнений, которые обеспечивают гиперплазию МФ в ММВ.

Для завершения основных процессов синтеза МФ в МВ, очевидно, надо дать день отдыха.

Четвертый день следует посвятить гиперплазии МХ в ММВ и БМВ. Утром и вечером надо выполнять аэробную тренировку в форме бега в холм или "челнок". Основной смысл этих форм тренировочных занятий заключается в том, что в ходе выполнения упражнений мышцы должны сокращаться с максимальной или околомаксимальной активацией, а упражнение в целом должно вызывать запрос кислорода, не превышающий уровень АнП.

Одного дня аэробных тренировок, очевидно, мало, поэтому в утреннюю тренировку первого дня микроцикла следует включить аэробную тренировку.

В итоге получаем следующий вариант микроцикла:

1) Утро:

И=25%; П=30 мин; повторный бег с соревновательной скоростью на 1500 м (отрезок 500 м). Тренировка направлена на увеличение массы МХ ММВ и БМВ. Вечер: И=90%; П=20+60 с; ИО=10 мин; КП=3; тренировка направлена на увеличение массы МФ БМВ.

2) Вечер:

И=60%; П=60+60 с; ИО=10 мин; КП=3; статодинамические упражнения с амортизатором или на тренажерах на основные мышечные группы: задней поверхности бедра, ягодичные, икроножные и камбаловидные. Тренировка направлена на увеличение массы МФ ММВ.

3) И=0; П=0. День отдыха;

4) Утро: И=25%; П=30 мин; "челнок". Тренировка направлена на увеличение массы МХ ММВ и БМВ. Вечер: И=25%; П=30 мин; бег в холм - МХ ММВ и БМВ. Имитационное моделирование показало, что в течение 100-150 дней шел процесс насыщения МВ митохондриями, затем увеличение массы МХ и МФ шло одновременно (табл. 7).

Таблица 7.

Результаты подготовки бегуна на средние дистанции за шесть лет тренировки (имитационное моделирование)

За шесть лет подготовки результаты выросли, удалось достигнуть выдающихся достижений в беге на 10000 м и на дистанции 800 м. В течение 5-го и 6-го годов подготовки был увеличен объем аэробной подготовки для достижения максимального использования тех морфологических структур, которые уже были образованы (МФ ММВ и БМВ). В четвертый день тренировок ввели аэробные упражнения: И=25%; П=20 мин, повторный бег на уровне АнП.

3.4. Планирование физической подготовки стайера и марафонца

Под спортивным результатом стайера будем понимать максимально возможную работу, выполненную за 10-240 мин при заданном внешнем сопротивлении - 15% от максимальной силы. Имитационное моделирование показывает, что при выполнении любого упражнения с предельной продолжительностью 10-30 мин причиной отказа от выполнения упражнения является:

1) исчерпание резерва МВ; 2) уменьшение мощности функционирования БМВ в результате закисления; 3) - уменьшение концентрации гликогена в МВ.

Следовательно, для достижения большей работоспособности в соревнованиях на стайерские дистанции в мышцах необходимо увеличить:

- силу ММВ (гиперплазия МФ), вслед за этим увеличится масса МХ;

- массу митохондрий в БМВ;

- массу гликогена в МВ. Мышца может эффективно функционировать только в случае адекватного снабжения кислородом, кровью, поэтому необходим контроль возможностей ССС и мышц.

Предположим, что проведено тестирование и выяснилось, что наш спортсмен (модель) имеет результаты на 100 м - 12,2 с, 800 м - 2 мин 16 с, 10000 м - 35 мин 49 с, на уровне АнП зафиксирована ЧСС 168 уд/мин. Результаты тестирования говорят об адекватной работе ССС, следовательно, лимитирующим звеном является мышечная система. Поэтому цель планирования - увеличение скорости бега на уровне АнП (результат на 10000 м) за счет увеличения гиперплазии МФ в ММВ и роста массы митохондрий в БМВ, при поддержании мощности функционирования миокарда, увеличении концентрации гликогена в МВ.

Разработаем микроцикл подготовки легкоатлетов-бегунов на стайерские дистанции. В табл. 8 будем заносить только основную часть тренировочных занятий.

Первый день. Выполняется тестирование, контрольное или официальное соревнование. Для определения уровня физической подготовленности стайера достаточно определить скорость или длину шага на уровне АэП, скорость бега на уровне АнП, запасы гликогена определяются по способности поддерживать в соревновании скорость бега до конца дистанции.

Второй день. Выполняются статодинамические упражнения по методу круговой тренировки, каждая мышечная группа активна 4x6 раз по 40 с, т.е. П= 2x5=10 мин, Э=1, Р=10 мин для МФ ММВ. В связи с закислением ММВ можно записать для МХ: П=10, Э=-0,3, Р=-3 мин.

Третий день. Выполняется бег в утяжеленных условиях, т.е. используется бег по холмам или с дополнительным сопротивлением. По ходу бега выполняется бег в холм продолжительностью до 2 мин с ЧСС 150-160 уд/мин (ниже или на уровне АнП) со стремлением каждое отталкивание выполнить с максимальной силой. Всего таких отрезков 5-10 или 20 мин чистого времени бега в утяжеленных условиях. Это упражнение действует как на миокард с диафрагмой, так и на все МХ всех МВ. Поэтому в табл. 8 записан результат тренировки, действующий на митохондрии всех МВ Р=20 мин.

Четвертый день. Выполняется длительный бег на уровне мощности АэП и АнП до полного исчерпания запасов гликогена в мышцах. В упражнении задействованы ПМВ и ММВ, в которых стимулируется синтез митохондрий. Поэтому записано в строки для миокарда и диафрагмы: П=120, Э=1, Р=120; то же записываем в строки таблицы для МХ и гликогена ММВ и ПМВ.

Пятый день. Отдых для восстановления запасов гликогена с усиленным углеводным питанием.

Шестой день. Выполняется бег в варианте "челнок", т.е. 15-20 раз по 30-50 м с интервалом отдыха 2 мин. Бег на отрезках выполняется с околомаксимальной интенсивностью. Этот вариант разработан специально для активации функционирования МХ БМВ без существенного закисления их саркоплазмы. Так как высокая ЧСС сохраняется в течение минуты после каждого забега, то в таблицу 8 записано для всех МХ Р=20 мин.

Седьмой день. Повторяется тренировка третьего дня.

Таблица 8.

План микроцикла подготовки стайера и марофонца

Примечание: МФ, СПР, МХ, МГ, К - миофибриллы, саркоплазматический ретикулум, митохондрии, миоглобин, капиляры; продолжительность эффективного времени тренировки по дням обозначена в минутах

Эффективность микроцикла тренировки проверялась с помощью имитационного моделирования. Расчеты показали, что рост силовых возможностей отсутствует (МФ=98%), наблюдается быстрое увеличение аэробных способностей в первые 120-180 дней тренировки (MX=159%), при этом состояние эндокринной системы улучшается (МЖ=106%), снижается вероятность инфекционных заболеваний. Спортивные результаты: 100 м - 12,26 с; 800 м - 2 мин 2 с; 10000 м - 31 мин 11 с. Разработанный микроцикл эффективен лишь в течение 180 дней, затем из-за отсутствия роста силы наблюдается насыщение МВ митохондриями и дальнейший прогресс уже невозможен. Например, в конце года тренировок результат на 10000 м так и не изменился. Этот результат оказался лучше по сравнению с планом подготовки "средневика" (31 мин 15 с), однако план подготовки бегуна на средние дистанции позволяет прогрессировать на всех дистанциях, следовательно, подготовка стайера должна строиться по плану подготовки "средневика" и только при непосредственной подготовке к соревнованиям в течение 2-3 месяцев может использоваться микроцикл, представленный в этом разделе. Применение микроцикла "средневика" в течение 200 дней позволило добиться: МФ=105%; МХ=150%; МЖ=114%; 10000 м - 31 мин 43 с. Продолжение тренировки с использованием микроцикла "стайера" привело к улучшению результата к концу года: 10000 м - 30 мин 39 с.

Таким образом, причиной принятой практики планирования мезоциклов является либо избыточный объем и интенсивность нагрузок, приводящих к возникновению ОАСС, либо необходимость создания структурных компонентов в МВ (МФ), для чего требуется сначала планировать и выполнять определенный вариант микроцикла, а затем надо запланировать микроцикл, позволяющий в полной мере реализовать структурные изменения в МВ (увеличить массу МХ).

Экспериментальное подтверждение эффективности разработанного микроцикла можно найти в работе В.Гетмонца (1985). В этом исследовании был сделан акцент на применение силовых упражнений (на гиперплазию МФ ММВ и ПМВ) и упражнений, направленных на развитие силовой выносливости (на гиперплазию МХ ПМВ и БМВ). В частности, использовались следующие средства:

Бег и прыжки в гору (март, апрель) - применялись 2-3 раза в неделю. Отрезки 150-400 м, интенсивность околосоревновательная. Отдых между забегами до пульса 110-130 уд/мин. В серии 5-6 повторений, всего серий 5-6, итого 20-30 забегов (25-35 мин чистого времени работы).

Повторный бег с максимальным ускорением 6-8 с, интервал отдыха 2,5 мин, всего 5-12 забегов.

Оба этих упражнения направлены на гиперплазию МХ БМВ, ПМВ и ММВ. Выталкивание отягощения из положения на спине. Сгибание ног производилось медленно, вес подбирался около 85-90% ПМ, подъем выполнялся до отказа. Интервал отдыха был 8-10 мин. Количество подходов к штанге 4-5. Выполнялись также аналогичные упражнения с весом 50-60% ПМ. Эти упражнения были направлены на гиперплазию МФ ПМВ и ММВ, применялись 1-2 раза в неделю.

Эти средства применялись в годичном педагогическом эксперименте, а результаты сравнивались с данными контрольной группы, в которой объем средств силовой тренировки и упражнений силовой выносливости был обычным, т.е. в 2 раза ниже, чем в экспериментальной группе.

Спортивные результаты в экспериментальной группе были лучше в беге на 3000 м на 22 с, в беге на 5000 м на 31 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, принципы спортивной тренировки - это положения, обобщенно отражающие объективные закономерности в форме отправных установок, указывающих тренеру и спортсмену генеральные пути и условия достижения поставленной цели. "Разработка принципов теории спортивной тренировки должна все более прочно и последовательно опираться на теорию адаптации организма к физическим нагрузкам, сформировавшуюся в современной физиологии и молекулярной биологии". Это высказывание Л.Матвеева правильно отражает тенденцию развития теории физической подготовки. В этом пособии сделана попытка теоретического выведения принципов планирования физической подготовки, которые, однако, не должны входить в противоречие с экспериментально обнаруженными (эмпирическими) закономерностями.

Анализ результатов теоретического исследования показывает, что все известные эмпирические закономерности планирования физической подготовки получили свое объяснение:

- Непрерывность физической подготовки. Соблюдение этого принципа позволяет постепенно наращивать степень гиперплазии органелл в клетках активных органов, что ведет к повышению их функциональных возможностей. Увеличение дней отдыха между тренировками снижает эффективность тренировочного процесса.

- Цикличность физической подготовки. Процессы синтеза различных органелл или митоза клеток протекают по своим законам, с разными скоростями, это явление определяется как гетерохронность адаптационных процессов. Поэтому для гиперплазии какой-либо определенной органеллы необходимо соблюдать последовательность тренировок и отдыха, что составляет цикл тренировочного процесса. Если необходимо добиться гиперплазии различных видов органелл, то построение цикла тренировки усложняется, как и в случае воздействия на разные мышечные группы или системы организма. Здесь требуется учитывать взаимовлияние тренировочных нагрузок и прежде всего реакцию эндокринной системы.

- Единство общей и специальной физической подготовки. Если под специальной физической подготовкой понимать выполнение физических упражнений, сходных с соревновательными, то для большинства циклических и игровых видов спорта этими средствами могут быть обеспечены адаптационные процессы в БМВ, миокарде, диафрагме, железах эндокринной и иммунной систем. Однако адаптационные процессы в ММВ этими средствами не могут быть обеспечены. Следовательно, для развития адаптационных изменений в ММВ необходимо применять неспецифические для любого вида спорта физические упражнения (статодинамические), которые можно отнести к общей физической подготовке спортсмена. Без такой общей физической подготовки практически ни в одном виде спорта эффективный тренировочный процесс невозможен.

- Единство постепенности и тенденции к предельным нагрузкам. Наблюдения за динамикой интенсивности и объема физических нагрузок, выраженными в абсолютных значениях (тоннах, километрах, часах) у спортсменов на протяжении нескольких лет, как правило, показывают их непрерывный рост, однако приведение тех же значений к относительным величинам и устранение из планов подготовки средств, не дающих каких-либо серьезных изменений в строении клеток, показывает, что интенсивность и объем остаются практически неизменными, поскольку на любом этапе роста спортивного мастерства должны соответствовать предельным, а точнее оптимальным для синтеза органелл нагрузкам.

- Волнообразность динамики нагрузок. Изменение интенсивности и объема нагрузки можно наблюдать в микроцикле и если соединить плавной кривой точки, то можно наблюдать волнообразные изменения показателей нагрузок. Эти волны связаны с разделением воздействия тренировочной нагрузки на миофибриллы или митохондрии скелетных мышц, или миофибриллы миокардиоцитов, или на органеллы других систем. Как правило, тренер не знает оптимальных значений интенсивности и объема, которые надо использовать в микроцикле, к тому же существует гипотеза об отставленном тренировочном эффекте. Поэтому нагрузки принято завышать, и при появлении явных признаков утомления включать в тренировочный процесс восстановительные микроциклы. Каких-либо объективных показателей наступления утомления не приводится, однако понятно, что надо измерить изменения в состоянии желез эндокринной системы, а для этого пока нет педагогических методов контроля, однако по опыту известно, что более 3-4-х недель тренироваться с предельными нагрузками нельзя. В связи с этим на практике наблюдаются средние волны, определяющие границы мезоциклов. Ожидание отставленного тренировочного эффекта, необходимость предоставить организму возможность восстановиться, проводить узкоспециализированную тренировку заставляет существенно изменить интенсивность и объем нагрузок. В связи с тем, что каждый мезоцикл подготовки приводит к постепенному уменьшению массы эндокринной железы, то к концу соревновательного периода наблюдается иммунодефицит, высокая вероятность заболевания. После такого тренировочного процесса неизбежен переходный процесс для восстановления эндокринной системы.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Теория и практика применения дидактики развивающего обучения в подготовке специалистов по физическому воспитанию : Тр. учен. проблем. науч.-исслед. лаб. / РГАФК ; Науч. рук. Селуянов В.Н. - М.: ФОН, 1996. - 106 с.: ил.