Введение
Основные компоненты концепции исследования
Актуальность диссертационного исследования определяется высокой научной и образовательной значимостью педагогических знаний о движущих силах развития детей и подростков. Изучение закономерностей формирования биомеханической структуры под влиянием средовых и генетических факторов в ходе обучения является важной и перспективной областью биомеханики, теории и методики физической культуры. Закономерности освоения двигательных действий используются в качестве естественно-научной основы для большинства теорий обучения. Отсутствие общепризнанной теории в этой области свидетельствует о недостаточной разработанности этого важного раздела педагогической науки. Особенности формирования биомеханической структуры двигательных действий под влиянием возрастных и средовых факторов является важным условием решения актуальной и в то же время весьма сложной проблемы - закономерностей развития детей и подростков в ходе обучения.
Актуальность темы исследования подтверждается ее соответствием сводному плану НИР Госкомспорта РСФСР на 1990-95 гг., а также сводному плану научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1996 г., направление 2 ("Человек в экстремальных условиях двигательной деятельности") тема 02.03.01 ("Исследование возрастных и индивидуальных особенностей формирования биомеханической структуры движений").
Сутью стратегии исследования составляет предположение, что содержание двигательных действий человека обусловлено сложным взаимодействием генетических социальных факторов. У новичков ориентировочную основу
двигательного действия в значительной степени составляет информация, поступающая из внешней среды, а средствами ее реализации являются, главным образом, врожденные координации работы мышц. Опытные спортсмены ориентируются на внутреннюю двигательную структуру, сформированную под влиянием двигательной задачи, выполнение которой осуществляется посредством приобретенных двигательных координации в ходе обучения с позиции биомеханики. Результатом учебно-тренировочного процесса является структура двигательного действия, обеспечивающая как приращение двигательных качеств, так и формирование двигательных навыков. Направленное развитие целостного двигательного действия, сопровождающееся изменением (совершенствованием состава и связей между его компонентами) называется прогрессирующей биомеханической структурой (И.М. Козлов, 1998).
Предметная область диссертационного исследования включает определение значения и вклада возрастных и средовых (методики обучения) факторов в становление прогрессирующей биомеханической структуры движений.
Объектом исследования являлись двигательные действия (бег с низкого старта) детей и подростков 10- 18 лет. Возрастные границы обусловлены положением о приеме в специализированные детско-юношеские спортивные школы по легкой атлетике, во-первых, и пребыванием детей в общеобразовательной школе, во-вторых.
Закономерности развития прогрессирующей биомеханической структуры - направленного развития целостного двигательного действия, сопровождающиеся эволюционным изменением (совершенствованием) состава и связей между ее компонентами - составляет научный результат, теоретическую значимость исследования.
Глава 1
ЕСТЕСТВЕННО - НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫМ ДЕЙСТВИЯМ.
1.1. Методологические особенности исследования движений
человека в онтогенезе.
Решение проблем, определяющих содержание, организацию и обучение двигательным действиям, предполагает согласование и интеграцию, гуманитарного и естественнонаучного подходов. Результаты такого объединения являются методологической основой теории и методики физического воспитания и спортивной тренировки. Конкретный фактический материал, накапливаемый в смежных научных дисциплинах, требует осмысления с педагогических позиций. Интеграция их является одной из основных задач спортивной науки. Объективная тенденция усиления дифференциации создает реальную опасность разобщения разных дисциплин, разрабатывающих проблемы физической культуры, а также ослабления связей между ними. Однако сложность изучаемых объектов (двигательных действий) такова, что для их познания требуется объединение научных подходов и усиление связей между ними. Системные исследования оказываются той главной силой, которая противостоит не только дроблению теории и методики физической культуры, но благодаря взаимодействию смежных направлений обеспечивает более глубокое приращение знаний в каждой из них. Прирост интенсивного накопления фактов в биомеханике спорта закончился, их дальнейшее увеличение не приводит к новому знанию. На современном этапе становится актуальной проблемой интеграция знаний, изучение целостности предметной области исследования.
Двигательный аппарат человека представляет собой сложную многозвенную систему со многими степенями свободы, целенаправленное движение которой осуществлено не менее сложным и, весьма, совершенным управляющим устройством. Органы движения формировались в течение многих миллионов лет эволюции; тогда как факторы социальной природы проявляют себя, главным образом на протяжении индивидуальной жизни в ходе онтогенеза. Количественное и качественное различие характера природных и социальных факторов, определяющих жизнедеятельность человека, обусловливает чрезвычайную сложность предметной области исследований двигательного поведения человека, в частности, проблемы интеграции врожденных и приобретенных координации.
Некоторые специалисты считают, что периодизация двигательной функции, последовательность наступления сенситивных периодов развития двигательных качеств (силы, быстроты, выносливости) определяются в большей степени генетической программой. Другие - отдают преимущество социальным условиям и факторам окружающей среды. Однако никто не сомневается в том, что как биологическая, так и социальная программа развития человека являются неотъемлемыми условиями обеспечения его жизнедеятельности. Педагогическая задача состоит в согласовании биологической и социальной программ для обеспечения гармоничного развития человека. Научная задача заключается в исследовании механизмов согласования социальных условий жизнедеятельности человека с генетической программой его развития. Разработка этой задачи тормозится из-за отсутствия надежных и доступных способов ее решения.
Процесс развития и формирования двигательной функции настолько сложен и разнообразен по форме и содержанию, что его невозможно изучить с достаточной полнотой, применяя какой-либо один метод исследования. Для анализа микроэволюционных процессов, протекающих в ходе онтогенеза под
влиянием обучения, существует множество экспериментальных методик, включающих регистрацию биомеханических, физиологических, а также психологических характеристик двигательных действий человека.
Морфологическая и функциональная целостность двигательной активности основана на взаимосвязи и взаимодействии ее элементов. Формой существования этой целостности является биомеханическая структура. Этапы онтогенетической эволюции (развития) дополняют друг друга, предыдущие этапы служат основой для последующих. В ходе формирования биомеханической структуры, происходит ее интеграция, установление более тесных связей между ее компонентами. В биологии различают корреляции и координации. В соответствии с этим взаимозависимость между центральными и периферическими механизмами построения движений, когда изменения в одних компонентах приводят к изменениям в других, можно назвать корреляцией, а связи между ними - коррелятивными. Это связи между биомеханическим свойством мышц по типу "сила-скорость", между механическими свойствами двигательного аппарата "межзвенный угол - плечо силы тяги - длина мышцы" и т.д.
Координации - это согласование функциональной активности компонентов двигательной функции для достижения двигательной цели; их основу составляют такие механизмы как временная связь, доминанта, реципрокная иннервация и.т.д.
В процессе эволюции наблюдается постепенное сокращение детерминирующей роли физико-химических факторов внешней среды в индивидуальном развитии и увеличение роли социально-экономических факторов развития. Повышение устойчивости индивидуального развития делает его более независимым от сбивающих влияний внешней среды. Процесс сокращения детерминирующего значения природных факторов внешней среды и увеличения влияния внутренних факторов называется автономизацией онтогенеза. Для реализации наследственной программы требуется минимум внешних условий. Та-
кое развитие, когда внешняя среда выступает в роли пускового механизма называется авторегуляторным. Авторегуляция обеспечивает устойчивость онтогенеза: происходит замена внешних факторов регуляции на внутренние.
Решение проблемы прогрессивного развития биомеханической структуры спортивных движений необходимо для понимания организации двигательного поведения человека, теории и методики физического воспитания и спортивной тренировки, в том числе для обоснования критериев эффективности спортивной техники и развития двигательных качеств. Критерием прогрессивного развития в общем виде является степень организованности жизнедеятельности биомеханической системы. Точные критерии выделить трудно, положится на одни или группу однородных критериев нельзя. Необходимо учесть число частей и их дифференциацию; объем перерабатываемой и запасаемой информации, степень автономности механизмов регуляции (врожденные и приобретенные координации). Существуют более 40 критериев высоты организации. Эти критерии группируют по категориям системных, энергетических, экологических, информационных. В последнее время распространяется точка зрения, что о повышении организации можно судить по возрастанию степени целесообразности индивидуальных систем.
Основные формы прогрессивного развития: неорганический прогресс, биологический, морфофизиологический, биотехнический. Неорганический прогресс - это наиболее общая форма эволюции, это развитие простейших живых существ до человеческого общества. Прогресс достигается как усложнением, так и упрощением организационно-двигательных действий.
Биотехнический прогресс выражается в возникновении биотехнического совершенства природы. В процессе эволюции наблюдается дифференциация, централизация органов и функций, в результате чего происходит как бы увеличение, усиление, ускорение "выполнения" всех жизненных отправлений (Как будто бы природа следует Олимпийскому девизу: быстрее, выше, силь-
10
нее). Основными критериями считают энергетические показатели организма (КПД).
Отдельные формы эволюционного прогресса выступают не изолированно, а находятся в сложном взаимодействии. Часто трудно вычислить "чистый" результат той или иной формы прогресса, что обусловлено сопряженностью их действия в ходе эволюции и общностью движущих сил - эволюционных факторов. Переход от биологической формы жизни к общественной, стал доступен только человеку. Достижение изумительных результатов в организации социальной жизни человека произошло благодаря организации его нервной системы (индивидуальное обучение).
Сравнивая облик людей, живших 20-30 тысяч лет назад, нельзя обнаружить существенных различий с современными людьми, однако, различия в культуре велики - это социальная программа развития. Вся эта сумма знаний передается по наследству "не автоматически, а путем обучения". Путем наследования приобретенного знания осуществляются социальное развитие, закономерности которого оказываются совершенно иными, нежели закономерности биологической эволюции.
Уже после рождения у человека имеются приспособительные механизмы двигательных координации. Задолго до рождения, у эмбриона человека обнаруживаются сосательный и жевательный рефлексы. Имеющийся фактический материал свидетельствует о том, что на ранних этапах онтогенеза обнаруживаются .целостные приспособительные движения, характеризующие пластичность врожденных двигательных программ и двигательных актов (А.А. Маркосян, 1969;И.А. Аршавский, 1975;Е.Ю. Вахромеева, 1980).
У детей в возрасте 5-12 лет отчетливо нарастает (на 60-70%) количество мотонейронов, вовлекающих мышцы в двигательную реакцию (В.Г. Яковлев, 1981). В этот период ЦНС имеет огромный набор врожденных двигательных программ, каждая из которых представляет автономную двигательную
11
структуру. Уже в этот период биомеханическая структура движений формируется из элементарных программ, из которых под влиянием памяти происходит построение двигательных действий.
С 8 лет у ребенка возрастает удельный вес произвольных движений, появляется возможность целенаправленного движения. В онтогенетическом развитии двигательных координации способности детей к выработке новых двигательных программ достигает своего максимума в возрасте 11-12 лет. Этот возрастной период многие авторы определяют как сенситивный к тренировке. Ряд авторов полагает, что некоторые свойства двигательной функции, такие как гибкость, быстрота одиночного движения, время реакции наследуются (Gedda, 1960; Н.Л. Феркене, 1977; Л.Н. Шварц, 1978). Известно, что некоторые двигательные акты обеспечиваются "жесткими" программами (Grilner, 1975; Х.Р. Шик, 1976)
Некоторые виды врожденных координации сохраняются на всю жизнь, другие тормозятся в ходе онтогенеза. Возникновение новой координации оказывается невозможным без подавления прежней. Те элементарные координации, которые входят в структуру более поздних двигательных программ, сохраняются на протяжении последующего индивидуального развития. Онтогенетическое развитие иерархического управления движениями у человека характеризуется наряду с имеющейся автономностью, также пластичностью и приспособленностью на каждом уровне сенсомоторной организации в результате соподчинения поведения.
Приспособительный характер поведения основывается на идее организации двойного управления - с помощью жестких и гибких функциональных программ (В.М. Бехтерева, 1972; Н.И. Зимкин, 1972). Жесткие связи отождествляются со строгой специфичностью, автономностью, генетической обусловленностью. Гибкие нервные связи отличаются многообразием, когда возникает избыточность, неопределенность, целесообразность двигательных дей-
12
ствий. Реализация врожденных двигательных программ в онтогенезе происходит благодаря пластичности систем центрального управления (В.Г. Яковлев, 1981).
В онтогенезе с развитием внутри- и межсистемных связей значительно возрастает количество врожденных программ и увеличиваются способности систем управления к организации новых нервных связей.
Существенный вклад в изучение центральных механизмов совершенствования и формирования нового двигательного навыка внесли отечественная физиология и биомеханика, которые продемонстрировали перспективное развитие идей И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Н.А.Бернштейна. С эволюцией иерархической системы управления движения появилась возможность формирования сложных форм двигательного обучения на основе образования прогрессирующей биомеханической структуры двигательных действий.
1.2. Основные этапы становления теории построения движений.
Двигательная деятельность человека - одно из сложнейших биологических и социальных явлений. Она сложна не только потому, что очень непросты функции органов движения, а еще и потому, что в ней участвует сознание. Речь идет об осознанной целенаправленной активности человека, о понимании смысла ее, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения.
Двигательная деятельность неоднократно исследовалась многими выдающимися учеными (И.М. Сеченов, П.Ф. Лесгафт, Н.А. Бернштейн и др.). Одно из важнейших направлений в области ее исследования - биомеханическое обоснование физического упражнения как средства физического воспитания (Д.Д. Донской, 1995). Чтобы сделать физическое упражнение эффектив-
13
ным педагогу необходимо детально и глубоко изучить его, знать и понимать закономерности двигательной деятельности. В лучшем случае выделяется внешнее описание деталей, те или иные его показатели, признаки, которых все же недостаточно для полного понимания механизма внутреннего устройства действия. Но без этого понимания невозможно построить процесс овладения упражнением (Д.Д. Донской, 1991).
Чтобы хорошо понять процесс овладения знанием о движении необходимо проследить этапы его становления. Построением движений интересовались еще в XVII веке (Леонардо да Винчи, Г. Галилей, И. Ньютон и др.). В то время все движения рассматривались с точки зрения механики. Леонардо да Винчи утверждал, что "наука механика потому столь благородна и полезна более прочих наук, что, как оказывается, все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам". Исследователи того времени оперировали законами механики абсолютно твердого тела или материальной точки в поступательном его движении, хотя тело человека - это система материальных тел не только твердых, но и мягких, к тому же упругих и преимущественно совершающих вращательные движения. Такое направление в учении о движениях существовало вплоть до нашего века. Типичными работами в этой области являются исследования братьев Вебер, Майбриджа, Марея, Брауне, Фишера, которые осуществили экспериментальный анализ движений человека (ходьба, бег, прыжки) и животных (бег лошадей, полет птиц) именно на основе механических характеристик.
Следующий этап в учении о движениях имел функционально-аналитическое направление. Он характеризовался преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях. Анатомов того времени (Ваеуег, П.Ф. Лесгафт) интересовала зависимость направления движений отдельных частей тела от строения мышц, от места прикрепления к костям. Появились
14
новые термины - "мышцы-антагонисты", "мышцы-синергисты", "односустав-ные мышцы", "многосуставные мышцы" и др.
Особенностью исследований в этот период является взгляд на природу движений с внешней видимой стороны, без учета их биологической природы. Законы механики привлекали для объяснения локомоций в отрыве от биологических. Целостный двигательный акт представляли как сумму составляющих его частей, игнорируя сложность структуры движений, связи между их элементами. Такое видение искажало действительность, вело к неправильному пониманию законов формирования двигательной активности, на что указывал П.Ф.Лесгафт (1905). Он ввел в теорию телесных движений термин "азбука движений", понимая под ним анатомическую основу построения движений у человека, и использовал его для обоснования системы физического воспитания. Он также подчеркивал необходимость привлечения математического аппарата для анализа движений человека.
Следующий этап учения о движениях - физиология движений человека. Большой вклад в развитие этого направления внесли как отечественные физиологи И.М.Сеченов, И.П.Павлов, Н.Е.Введенский, А.А.Ухтомский, А.Ф.Самойлов, Л.А.Орбели, Н.А.Бернштейн, П,К.Анохин, так и зарубежные -Марей, Шеррингтон. Они добавили новое звено в предметную область исследований, орган управления - нервную систему. Это позволило подойти к изучению движений человека с позиций внутренней их организации. И.М.Сеченов (1952) отметил теснейшую связь между высшей нервной деятельностью и двигательной активностью. Его идеи о рефлекторной природе движений, о сенсомоторной организации двигательной деятельности человека до сих пор не потеряли своего основополагающего значения.
Одним из важных разделов учения И.П.Павлова (1951) об условно-рефлекторной деятельности как естественно-научной основы произвольных движений является знание о системных механизмах поведения, о формирова-
15
нии системы условных рефлексов (стереотипов), а также условных рефлексов высших порядков. Ч.С.Шеррингтон (1969), изучая механизмы интеграции нервной деятельности показал, что "реципрокная иннервация антагонистических мышц" является одним из механизмов управления движением. Он рассматривал отношения между нервными центрами как жесткие, анатомически заданные зависимости. Н.Е.Введенский и А.А.Ухтомский утверждали, что эти связи функциональные, т.е. зависят от условий, в которых формируется движение. Это положение Н.Е.Введенского и А.А.Ухтомского было доказано опытами по пересадке мышц, что приводило к установлению новых функциональных связей между мышцами и нервными центрами (Уфлянд Ю.М., 1965). Было доказано, что главными в управлении движениями являются функциональные механизмы координации, которые формируются на основе пластичности нервной системы.
Мысль о пластичности нервной системы, которая обусловлена системной организацией мозга, подтверждается идеями А.А.Ухтомского о доминанте. Суть доминанты заключается в том, что организм отвечает на воздействие внешней среды не элементарными рефлексами, а целым комплексом реакций, возникновение которых обусловлено господствующим очагом возбуждения.
Л.А.Орбели (1938) открыл механизм, обеспечивающий взаимодействие соматического и вегетативного отделов центральной нервной системы в целостном двигательном акте. Он показал роль симпатической нервной системы в повышении работоспособности организма.
А.Ф.Самойлов (1946) указал на важную роль мышцы как органа чувств в системной организации двигательной деятельности человека, животных и "кольцевого рефлекса" как механизма управления.
Большой вклад в учение о движениях внес Н.А.Бернштейн (1947). Он ввел в структуру двигательного действия двигательную задачу - "модель потребного будущего", которая является ее главным определяющим звеном.
16
Эффект приложения сил, по его мнению, непредсказуем, что ведет к необходимости "поэтапного микрокоррегирования" движений по ходу действия. Это происходит на основе сличения хода движения с "моделью потребного будущего".
Главным в учении Н.А.Бернштейн считал постановку цели движений, будущий результат как главный фактор организации многих движений в единое целое. Это целое двигательное действие, характеризуемое наличием предвидимой цели (конечной или программной). Особое внимание он уделял тончайшей детализации составляющих движений человека.
На этом этапе еще не была рассмотрена схема организации действия, но были разработаны понятия о составе и структуре системы движений. Разработкой этой проблемы занимались П.К.Анохин, А.А.Ухтомский, М.И.Виноградов, Д.Н.Узнадзе, И.Т.Бжалава, Б.Ф.Ломов, Е.Н.Сурков, И.М.Фейгенберг, В.А.Белкин и др. Их идеи подвели к необходимости более широкого видения процессов организации двигательной активности человека. Такое понимание привело, во-первых, к тому, что в структуру двигательной деятельности были введены двигательная задача, двигательная программа, во-вторых, стал осуществляться поиск факторов активного воздействия на двигательную активность человека для достижения запланированного результата (Ратов И.П., 1972, Евсеев СП., 1991) и, в-третьих, внимание исследователей все более перемещается от отдельных процессов к их взаимодействию.
Следующий этап учения о движениях - теория структурности движений (Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979). Спортивные движения рассматривались как системно-структурный комплекс, состоящий из подсистем (блоков), к которым относятся временные подсистемы (фаза, период, цикл); пространственные подсистемы (траектории отдельных суставных и элементарных движений динамических цепей).Организация движений осуществляется на трех уровнях (Д.Д. Донской, 1991):
17
1. отдельные суставные движения, еще не имеющие общей цели;
2. элементарные действия (группы движений) частей тела со своими подцелями;
3. фазы движений всего тела (ряды движений), также со своими подцелями.
Из этих движений создаются системы движений со своей целью, тенденции развития которых заключаются в обеспечении целостности, расчлененности, стабильности и вариативности.
Следующий раздел разработки теории движений - теория строения действий. Д. Д. Донской (1995) выделил три особенности этой теории:
• движение рассматривают не как механическое передвижение в пространстве с течением времени, а как организованный целенаправленный способ осуществления двигательной деятельности;
• особое внимание уделяется самому способу строения каждого конкретного действия как особой специфической организации всего целостного действия при сложной дифференциации, как его компонентов, так и отношений между ними;
• понятие "биомеханический анализ движений" заменяется на понятие "биомеханическое обоснование строения действий", включающее в себя и анализ, и синтез.
Для объяснения построения двигательных действий используется интеграция механических, биологических и психологических основ. Механическими условиями объясняется неопределенность действия, включающего огромное количество переменных величин (значения и направления действующих сил, их плечи и моменты, упругие свойства мышц и т.д.). Неопределенность требует текущего управления. Управление движением обеспечивается биологическими факторами - механизмами координации, согласующими работу мышц с задачами движений и с текущим их ходом. |
