Использование компьютерных технологий (3D моделирование) при обучении технике двигательного действия в легкой атлетике, гимнастике и акро

Доклад  по теме

«Использование компьютерных технологий (3D моделирование) при обучении технике двигательного действия в легкой атлетике, гимнастике и акробатике. Биомеханическая характеристика модели движения» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Саров, 2011

Роль  графического 3D моделирования при обучении технике двигательного действия

Формирование  разнообразных двигательных умений, навыков и связанных с ними знаний составляет одну из основных задач  процесса многолетней подготовки спортсменов.  
При обучении двигательным действиям необходимо последовательно решить ряд конкретных задач:  
1. Умение управлять относительно простыми движениями, создав тем самым предпосылки для овладения более сложными двигательными действиями, т. е. обеспечить «начальную школу движений».

2. Сформировать  и довести до определенной  степени совершенства основные  двигательные умения и навыки, необходимые в повседневной жизни,  в трудовой и других сферах  деятельности. 
3. Сформировать совершенные специальные двигательные умения, навыки и связанные с ними знания, необходимые для эффективности тренировочной и соревновательной деятельности. 
Особенности процесса обучения во многом определяются закономерностями формирования двигательных умений и навыков. Особенности обучения зависят от структурной сложности изучаемых действий, специфики проявляемых в них физических качеств, уровня их проявления, а также подготовленности занимающихся.

 
Одной из главных целей информатизации является повышение качества образования, создание условий для перехода к новому уровню образования на основе информационных технологий, доступа учащихся и преподавателей к высококачественным локальным и сетевым образовательным информационным ресурсам, в том числе к системе современных электронных учебных материалов. В связи с этим назрела необходимость изменения содержания и методики обучения различным дисциплинам на основе практического использования информационных технологий, мультимедийных систем, графического моделирования в учебной и профессиональной деятельности.

Существующие  в сети Интернет ресурсы для освоения учебного материала по физической культуре и её разделам в основном представляют собой сочетание текста и графики (фото), и крайне редко можно найти материалы по физкультуре и спорту в виде анимационных графических моделей. Спорт – это движение, поэтому такие модели имеют практически неограниченные возможности по имитации ситуаций, демонстрации движения объектов. Анимация, в отличие от неподвижного изображения изменяется во времени, ее использование в значительной степени увеличивает количество передаваемой информации, с помощью анимационных моделей можно визуализировать текстовые описания и динамические процессы, наблюдение которых затруднительно в реальных условиях. Кроме того, анимационные графические модели позволяют формировать умения и навыки физкультурной деятельности в виртуальном представлении. Поэтому при изучении возможностей мультимедийных средств в области физической культуры и спорта, необходимо уделить внимание формированию практических навыков создания и использования анимационных графических моделей. Это целесообразно по следующим причинам: - распространенность и доступность технологии для освоения пользователями; - совместимость с другими программными средствами; - компактность и интерактивность, что позволяет использовать созданные модели в дистанционном обучении. Анимация позволяет визуализировать процессы и динамику изменения объектов, труднодоступные для наблюдения, позволяет представить движущиеся элементы, отразить существенные стороны, выдвинуть на передний план наиболее важные с точки зрения учебных целей и задач, характеристики изучаемых объектов и процессов. Например, в реальности выполнение любого упражнения происходит очень быстро, на модели его технику можно просмотреть в замедленном темпе, даже по кадрам. Кроме того, создавая анимационную графическую модель, студент должен отлично знать методику выполнения моделируемого упражнения.  

Применение  анимационных графических моделей  при обучении создает мультисенсорное  обучающее окружение, что способствует развитию образного мышления, может  продуктивно воздействовать на восприятие и память обучаемых. Привлечение  всех органов чувств, сочетание графических, анимационных, текстовых и музыкально-речевых  элементов способствует росту степени  усвоения материала, более глубокому  его пониманию, запоминанию и, как  следствие, повышению эффективности  обучения в различных предметных областях знаний и видах спорта. Использование анимационных графических моделей при обучении различным техникам в физической культуры поможет разрешению ряда проблем. Использование анимационных моделей по всем спортивным дисциплинам обеспечивает наиболее полное представление об изучаемом предмете, позволяет более объективно рассматривать технические особенности видов спорта.

Изучение  техники выполнения различных упражнений, тактики спортивных игр, проведение биомеханического анализа двигательных действий с помощью анимационных графических моделей позволит избежать физического перенапряжения и оптимизировать физические нагрузки обучаемых, реализовать индивидуальный подход в физическом воспитании будущих спортсменов.  
Применение компьютерной графики и анимации восполнит отсутствие необходимого спортивного и технического оборудования, снарядов, в том числе и дорогостоящих. Это позволит поднять уровень обучения даже в слабооснащенных учебных заведениях.

Анимационные  графические модели, как самостоятельные, так и являющиеся элементами мультимедийных электронных образовательных ресурсов являются одним из средств дистанционного обучения. Их использование позволит самостоятельно изучать необходимый материал, прокладывать индивидуальные траектории обучения, ориентируясь на индивидуальные способности учащихся.

Опыт  разработки анимационных моделей по изучаемым дисциплинам, внедрение  их в мультимедийные ресурсы являются важными для совершенствования  учебного процесса по физической культуре, в том числе и в дистанционной  форме, будут способствовать производству современных учебных материалов, пополнению коллекции электронных  образовательных ресурсов.

 
Конец XX – начало XXI столетия в спорте характерен значительным ростом уровня спортивных технологий. Для достижения максимальных результатов спортсменам подбирают индивидуальный режим питания и тренировок, проводят психологическую подготовку, назначают медицинские процедуры, массаж, дыхательные упражнения, индивидуально подгоняют форму и спортинвентарь. Однако и при таком подходе в подготовке спортсменов возникают трудности объективного характера. Смена времен года, неблагоприятная погода не позволяют представителям сезонных видов спорта тренироваться круглый год в естественных условиях. Проведение сборов за рубежом с финансовой точки зрения возможно лишь для сильнейших, а для остальных спортсменов замена сезонных тренировок иными, в определенной степени снижает уровень подготовки.

 
Для решения проблемы спортивных площадок, с целью профильной подготовки спортсменов применяют тренажеры, имитирующие спортивную арену. К таковым можно отнести тренажер для тренировки гребцов, беговую дорожку или велотренажер. Для полноты ощущений этим тренажерам не хватает обстановки спортивной арены, пространства, привязки к месту проведения соревнований. С целью получения эффекта присутствия у тренирующегося на тренажере спортсмена предлагается использовать технологии 3D графики. Идея состоит в том, чтобы связать тренажер с объемным изображением, разворачиваемым перед тренирующимся спортсменом. Например, для марафонца, тренирующегося на беговой дорожке, может быть создана проекция марафонской дистанции предстоящей летней олимпиады, а для велосипедиста – велотрек или велотрасса.

     Применение 3D визуализаций для тренажеров, не предусматривающих  силовой обратной связи, возможно реализовать без значительных затрат. Осуществление моделирования обстановки соревнований выполняется на основе геодезических данных, видеосъемки, фотографий места проведения соревнований и других материалов из открытых источников. После сбора информации создаются виртуальные модели спортивных объектов, спортивных снарядов, соперников и т.д. На основе виртуальных моделей можно составить сцену прохождения по маршруту состязаний, будь то марафонский бег, гребля или другие соревнования. Составление библиотеки, к примеру, этапов чемпионата мира поможет спортсменам заранее познакомиться с особенностями трасс, подготовиться к их прохождению тактически. Кроме того возможна модернизация тренажера для создания силовой обратной связи, например изменение угла наклона беговой дорожки или велотренажера. 
 
 

Компьютерная программа позволяет изменять скорость визуализации в соответствии со скоростью на приборной панели беговой дорожки или датчиком приложенных усилий. Попутно с визуализацией обстановки спортивных соревнований на экран могут выводиться показатели пройденного и оставшегося расстояний, текущей и средней скорости, лучшего времени на этапах, рекордов разных уровней. Такие показатели способствуют контролю прохождения дистанции, позволяют оценить изменение состояния спортсмена и трудности в преодолении отдельных этапов, помогают в накоплении статистических данных для выработки стратегии. Статистическая информация позволит сделать тренировочный процесс более продуктивным и более быстрым, поскольку информация будет доступна практически сразу. Если же в 3D визуализацию добавить еще и соперников, бегущих со скоростью мирового рекорда, то налицо соревновательный момент, добавляющий спортивного азарта, являющегося дополнительным стимулом к победе. 

При обучении двигательным действиям в акробатике, компьютерная программа дает возможность  провести анализ контрольных акробатических упражнений, исследовать траектории движений тела, линейных и угловых скоростей и ускорений, времени выполнения упражнения и его отдельных фаз, поз и положений тела. Так же проводит исследование эффективности подготовки юных акробатов на основе реализации биомеханических показателей узловых элементов спортивной техники базовых акробатических упражнений.

Разработаны учебные материалы по анатомии, где моделируются строение и функционирование основных органов и систем организма. Созданные модели объединены в интерактивный обучающий курс, с возможностью выбора темы, числа повторений изучаемого материала.

Уделяется внимание и тактической подготовке в игровых видах спорта (на примере  волейбола и баскетбола), где на модели объясняются правила игры, действия игроков; технике метания (на примере мяча и копья), где с биомеханической точки зрения объясняется правильность разворота руки, корпуса для обеспечения дальности полета и силы броска. Программа дает возможность проанализировать важность положения рычагов по кадрам.

Компьютерная  мультимедийная программа обучает  элементам зачетных упражнений по спортивной гимнастике (на примере перекладины и коня), где рассматривается базовая техника исполнения элементов, последовательность элементов, двигательные формы. Созданы модели по трем основным группам упражнений в каждом виде: на перекладине - подъемам, оборотам, соскокам, на коне с ручками – перемахам, кругам, скрещениям. В ключевых кадрах зафиксированы основные позы гимнаста, положения частей его тела для правильного выполнения элемента.

Использование компьютерных 3D технологий помогает развить координационные способности юных спортсменов-гимнастов к пространственному и временному анализу движений и упражнений, дифференцированию мышечных усилий, устойчивости и чувствительности вестибулярных реакций, оценке поз и положений тела, темпу и ритму движений и др.

При этом в существующих тренажерах недостаточно внимания уделяется качеству виртуального пространства места проведения стрелковых соревнований. Традиционное применение векторных объектов или растровых объектов низкого разрешения в 2D технологиях, а также низко полигональных моделей в 3D технологиях не создают у спортсмена эффекта присутствия. Эффект присутствия – это очень важный психологический момент, позволяющий легко адаптироваться при переходе от виртуального соревнования к реальному. Практика показывает, что создание обстановки, наиболее приближенной к реальности возможно лишь с применением высоко полигональных 3D технологий. Для решения этих задач предлагается использовать мультимедиа оборудование на базе высокопроизводительного ПК или рабочей станции, способных работать с высоко полигональными 3D объектами (в стерео режиме) в режиме реального времени. 

Современный уровень развития 3D технологий позволяет значительно удешевить и ускорить процесс подготовки спортсменов за счет применения тренажеров на основе 3D графики. Применение компьютерных технологий при подготовке спортсменов позволит на ранних этапах выявить и предварить их ошибки, снизить вероятность травматизма.

Увеличение объема подготовки спортсменов с применением 3D графических тренажеров в определенной мере повысит уровень спортсменов, позволит постоянно поддерживать его на высоком уровне и более тщательно готовиться к соревнованиям. 

Определенное удорожание тренажерного оборудования при комплектовании его системами 3D визуализации, недостаточная развитость направления виртуального сопровождения в 3D графике, пока не позволяют использовать такие системы широко, даже при их значительном потенциале. Однако, несмотря на все трудности у систем 3D визуализации в спорте большое будущее, поскольку их применение в тренировочном процессе способно приблизить его к обстановке соревнований, а значит в определенной степени способствовать высоким спортивным результатам.

Таким образом, одной из главных задач  подготовки спортсменов к соревновательной практике является оптимальный набор арсенала средств, приемов и методов совершенствования технико-тактических действий, поиска новых дидактических технологий, способных повышать эффективность и качество процесса подготовки.

По мнению многих авторов, внедрение средств  высоких технологий в систему  спортивной подготовки во многом изменяет привычные формы тренировочного процесса, заменяя их на более совершенные и адаптированные к современным условиям.

Применение  современных информационных компьютерных технологий обуславливает качественное обновление традиционных форм учебно-тренировочного процесса основанного и состоящего, прежде всего, в разработке системного подхода к использованию информационных и мультимедийных баз данных при анализе, систематизации и классификации тактических двигательных действий.

Программно-аппаратные средства современных компьютерных технологий представляют широкие возможности в исследовании структуры двигательных действий и различных аспектов их применения в тренировочном процессе и соревновательной деятельности.

С помощью  компьютерного мониторинга становиться  реальным проведение детализированного  анализа и корректировки сложнокоординационных  двигательных действий, осуществляемых спортсменом в соревновательном поединке и при выполнении контрольных нормативов по технико-тактической подготовке. Биомеханический анализ двигательных действий позволяет выработать наиболее оптимальную поведенческую модель, с учетом основных переменных.