ЛАВА 3. ОСНОВЫ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. 

Точное знание немыслимо без меры.

Д. И. Менделеев

От интуиции — к точному знанию!

Двигательное мастерство человека, его умение в любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из на званных факторов.

Объектом биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:

1) о технике двигательных действий и тактике двигательной деятельности;

2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости и гибкости, должный уровень которых является необходимым условием высокого технико-тактического мастерства (В англоязычной литературе по физическому воспитанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.).

Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:

1) Что делает человек?

2) Насколько хорошо он делает это?

3) Благодаря чему он это делает?

Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:




ИЗМЕРЕНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

Человек становится объектом измерения с раннего детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.

Шкалы измерений и единицы измерений

Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.

Шкала наименований — самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.

Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).

Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, но интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: “плохо” — “удовлетворительно” — “хорошо” — “отлично”. Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: “больше — меньше”, “лучше — хуже”. Однако на вопросы: “На сколько больше?”, “На сколько лучше?” — шкалы порядка ответе не дают.

С помощью шкал порядка измеряют “качественные” показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).

Шкала порядка бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.

Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами — единицами измерения¹. Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.

По шкале отношений измеряют размеры и массу тела и его частей, положение тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.

Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.




Биомеханические характеристики

Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические (табл. 3). У них разное назначение: кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.

Биомеханические характеристики описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.

Но в большинстве движений человека поступательный и вращательный компоненты присутствуют одновременно, такие движения называются составными. Причем двигательный аппарат человека устроен так, что все движения (в том числе и поступательные) образуются из комбинаций вращательных движений в суставах (рис. 18).

Дадим определения биомеханическим характеристикам, включенным в таблицу 3. Но сначала расскажем о двух важных характеристиках, которые не вошли в таблицу,— о положении и траектории.

Положение любой точки тела (например, любого сустава) или положение спортивного снаряда (например, мяча) определяется координатами в той или иной системе координат. Наиболее популярна прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных— продольной и поперечной) (рис. 19).

Задание для самопроверки знаний:

На рис. 19 определите координаты выделенных точек (центра масс головы и т. д.).



Рис. 18. Поступательные движения человеческого тела и его частей как результат вращательных движений; например, прямолинейное движение боксерской перчатки образуется из движений в локтевом, плечевом и тазобедренном суставах; прямая линия — траектория центра масс кисти правой руки в перчатке



Рис. 19. Схематическое изображение (в прямоугольных координатах) гимнастки, выполняющей упражнение на равновесие: справа —вид спереди (фронтальная проекция); слева —вид. сбоку (саггитальная проекция)



Рис. 20. Траектория полета мяча при ударе футболиста (пунктир); сплошной линией показано перемещение мяча (расстояние по прямой от ноги футболиста до линии ворот). Обратите внимание на возможность забить гол с углового удара, если “закрутить” мяч, как это показано в прямоугольном фрагменте рисунка. Крутясь, мяч приводит во вращение близлежащие слои воздуха (см. круговые стрелки). Их скорость складывается со скоростью воздушного потока справа от мяча и вычитается из нее слева от мяча. По закону Бернулли давление воздуха меньше там, где выше скорость. Поэтому возникает сила (одинарная стрелка), направленная в ту сторону, где давление меньше



 При выполнении двигательного действия положение тела или спортивного снаряда изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями (рис. 20).

Траектория может иметь любую, сколь угодно сложную форму. В отличие от нее линейное перемещение 

 — расстояние по прямой (Точнее, вектор, поскольку, говоря о перемещении, необходимо указывать не только расстояние, но и направление.) между конечным и начальным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах). 

Угловое перемещение

 — угол поворота тела или отдельного сегмента. Угловое перемещение измеряется в градусах.

Задание для самоконтроля знаний: рассматривая рис. 18, приведите примеры линейного и углового перемещений. Затем придумайте другие примеры.

Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела или его материальных точек. Скорость равна частному от деления перемещения (т. е. разности координат) на интервал времени, за который это перемещение произошло:

 

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости:

Получаемые в результате измерений и расчетов величины перемещения, скорости и ускорения зависят от принятой системы отсчета. Например, при беге скорость руки или ноги относительно беговой дорожки равна ее скорости относительно общего центра масс бегуна плюс или минус скорость общего центра масс относительно дорожки. Этот факт необходимо учитывать при определении механических энергозатрат и выявлении энергетически оптимальных режимов двигательной деятельности.

При изучении периодически повторяющихся движений (циклических) важно знать:

1) темп (n)— число движений в единицу времени;

2) длительность цикла (Т) — интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.

Темп и длительность цикла связаны между собой соотношением

Например, если брассист выполнит 50 циклов в минуту

, то длительность цикла равна:

Мы только что встретились с новым и очень важным понятием — фаза двигательного действия. Фазами называются временные элементы двигательных действий. Например, ударное действие теннисиста (см. рис. 2) состоит из пяти фаз, длительности которых обозначены



Соотношение длительностей фаз называется ритмом двигательного действия. Графическое изображение ритма называется хронограммой.

Фазовый анализ двигательной деятельности — один из самых полезных методов, применяемых при биомеханическом контроле. Определение длительностей фаз, ритма и построение хронограммы позволяют “читать” и “записывать” элементы двигательной деятельности подобно тому, как по нотам можно записывать и воспроизводить музыку. Тем самым возникает возможность документирования техники и тактики, запоминания и изучения лучших образцов, целенаправленного обучения.

Переходим к описанию динамических характеристик. В отличие от кинематических их невозможно оценить по внешней картине движений, на глаз. Здесь всегда требуется измерительная аппаратура. Динамические характеристики измеряют потому, что именно они помогают разобраться в сложных механизмах формирования движений и, следовательно, найти пути овладения ими, их совершенствования и исправления возможных ошибок. Ведь ошибки в кинематике (внешней картине движений) всегда есть следствие несвоевременных и нерациональных (недостаточных или чрезмерных) мышечных усилий и неумелого использования внешних сил.

Ускорение, приобретаемое телом, обратно пропорционально его инертности и прямо пропорционально воздействующей силе:



 



Рис. 21. Пример из борьбы, показывающий, что, чем длиннее плечо силы, тем больше момент силы M=F-e, вызывающий круговое движение, в данном случае опрокидывающий момент (е)

Чтобы найти ускорение тела в поступательном движении, достаточно знать величины силы и массы. При вращательном движении ситуация сложнее. Во-первых, инертность вращающегося тела определяется не массой, а моментом инерции (см. в главе 2). Во-вторых, эффект действия силы в этом случае зависит не только от ее величины, но и от места приложения. Чем длиннее плечо силы— кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, тем больше момент силы, или вращающий момент (М), равный произведению силы на ее плечо (рис. 21).

Поскольку ускорение есть приращение скорости в единицу времени

приведенные выше формулы можно переписать следующим образом:

— для поступательного движения

— для вращательного движения

 

Здесь нам открывается закономерность, которую мы хорошо знаем в повседневной жизни, но не всегда используем при занятиях физкультурой и спортом. Она состоит в том, что эффект действия силы (в данном случае приращение скорости) зависит не только от величины силы, но и от продолжительности ее действия



В связи со сказанным еще две биомеханические характеристики получили “права гражданства” (рис. 22):

где

 - интервал времени от начала до окончания действия силы;

— средние величины силы и вращающего момента.

Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик. Так, механическая работа есть произведение силы на перемещение:



Например, для того чтобы подняться по канату на высоту 5 м, мальчик с массой тела в 30 кг выполняет работу около 1500 джоулей:

30 кг ∙ 9,8 м/с² · 5 м ≈ 300 Н · 5 м = 1500 Дж.

Если этот подъем длился 10 с, развиваемая мальчиком мощность равна 1500 Дж : 10 с=150 Вт. Это значительная мощность (вспомните, как ярко светит такая электрическая лампочка).

Итак, мощность вычисляется по формуле



Последний переход в преобразовании формулы особенно важен. Он дает возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Так, при ударе классного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт. Образно говоря, при таком ударе на короткий миг зажигается 120 электрических лампочек, по 100 Вт каждая.



Рис. 22. Динамограмма отталкивания спринтера от стартовых колодок; импульс силы равен интегралу силы по времени, или произведению средней величины силы (пунктир) на продолжительность ее действия (площадь заштрихованной фигуры равна величине импульса силы); слева — тарировочный график, позволяющий отсчитывать величины силы в ньютонах

 

Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов. Потенциальная энергия (Е_п) и кинетическая энергия тела в поступательном (Е_к
^пост) и вращательном (Е_к
^вр) движениях определяются по формулам:



где g = 9,8 м/с² — ускорение свободнопадающего тела, h — высота центра масс тела над поверхностью земли, v — линейная скорость, w — угловая скорость, т — масса, J — момент инерции.

Полная энергия движущегося те л а согласно теореме Кенига равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях:



До сих пор речь шла о механической работе и мощности. Но, как известно, в форму механической энергии превращается меньшая часть энергии, образующейся в мышцах. Большая ее часть переходит в тепло.

Подобно тому как технические машины (автомобиль, тепловоз) характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:



где Е — количество метаболической энергии (Метаболическая энергия образуется в клетках нашего тела в результате трех типов биохимических реакций: креатинкиназной, анаэробного гликолиза и окислительного фосфорилирования. Подробнее об этом можно прочитать в учебниках по биохимии и физиологии, а также в научно-популярной литературе (например: Я к о в л е в Н. Н. Химия движений.—Л., 1983).), Дж; Ё — скорость ее расходования, Вт;

—энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы; для того чтобы определить энергетическую стоимость бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега:



—пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы; например, пульсовая стоимость ходьбы, бега и других циклических локомоций вычисляется по формуле



Пульсовую стоимость проще измерить, чем энергетическую. И кроме того, в некоторых ситуациях пульсовая стоимость информативнее энергетической (например, при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).

Биомеханические характеристики — один из хрестоматийных вопросов биомеханики. Без свободного владения сведениями о биомеханических характеристиках так же нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики, как невозможно читать книгу, не зная алфавита.
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ (ч.2)

Количественная оценка технико-тактического мастерства

Технико-тактическое мастерство, или двигательную культуру, человека предопределяют:

1) объем техники и тактики;

2) разносторонность техники и тактики;

3) эффективность и рациональность техники и тактики;

4) освоенность техники и тактики.

Объемом техники называется совокупность технических приемов, которыми владеет человек. Объем тактики — совокупность тактических вариантов, которыми владеет спортсмен или спортивный коллектив.

Для контроля за объемом техники и тактики служат шкалы наименований.

В каждом виде двигательной деятельности свой арсенал технических приемов и тактических вариантов. Объем техники и тактики обычно составляет часть этого арсенала.

Лишь мастерски подготовленный человек владеет всеми богатствами техники и тактики. Но и он реализует все свои технико-тактические возможности (общий объем техники и общий объем тактики) только в спокойной обстановке. В стрессовой ситуации (например, на спортивных состязаниях) используется только соревновательный объем техники и тактики, составляющий часть общего объема. Например, в арсенале борьбы самбо несколько сотен приемов. Но даже мастер спорта в совершенстве владеет лишь десятками из них. На ответственных соревнованиях он применяет несколько наиболее отработанных приемов, а завершает схватку, как правило, одним или двумя коронными приемами.

Результаты контроля за объемом техники и тактики удобно представлять в форме таблицы (табл. 4).

 

В практической деятельности педагог старается приблизить общий объем техники и тактики своих учеников к технико-тактическому арсеналу данного вида спорта и, кроме того, стремится увеличить соревновательный объем техники и тактики. Достигается это разучиванием новых приемов и освоением уже разученных, в процессе чего повышается разносторонность, эффективность и освоенность техники и тактики.

Технический арсенал каждого вида спорта состоит из групп технических элементов. Например, техника борьбы включает в себя приемы борьбы в стойке и в партере. А объем техники гимнаста состоит из технических элементов, выполняемых на различных снарядах. Техника называется разносторонней, если в объеме техники в равной мере представлены технические приемы из различных групп.

И тактика является разносторонней только в том случае, если в объем тактики входят тактические варианты из разных групп. Например, перед бегуном или пловцом может стоять одна из двух задач, требующих различной тактики:

1) показать наилучший для себя результат (тактика рекорда);

2) победить (попасть в число призеров, финалистов) независимо от того, какой будет показан результат (тактика победы).

Разносторонне подготовленным в тактическом отношении является тот спортсмен, кто сумеет и выложиться, устанавливая рекорд, и победить конкретного соперника.

Также и тактику в игровых видах спорта можно только тогда назвать разносторонней, если спортсмен или команда одинаково хорошо владеет тактическими вариантами игры в защите и в нападении.

Подобно объему, разносторонность техники и тактики делится на общую (демонстрируемую в обычных условиях) и соревновательную (характерную для стрессовых ситуаций) .

Эффективность техники двигательных действий и эффективность тактики двигательной деятельности — это степень соответствия техники и тактики конкретного человека избранному критерию оптимальности. Иначе говоря, наиболее эффективный вариант техники (и тактики) — это индивидуально-оптимальный вариант.

Индивидуально-оптимальные варианты техники и тактики до сих пор находили опытным путем. Современные вычислительные машины дают возможность моделировать двигательную деятельность и в наглядной форме получать изображение оптимальной техники или тактики (рис. 23, 24).

 

Рис. 23. Результат моделирования прыжка, полученный с помощью электронно-вычислительной машины и представленный в наглядной графической форме на выводном устройстве ЭВМ (по Garret ссоавт.)

Задание для самоконтроля знаний

Приведите примеры, в которых эффективность двигательной деятельности определяется по критериям экономичности, эстетичности, точности, механической производительности, и в каждом случае укажите, по какой шкале и в каких единицах измеряется эффективность (Если ответ на этот вопрос вызовет затруднения, еще раз проштудируйте главу 1 и начальные разделы главы 3.).

При биомеханическом контроле за коллективами людей, занимающихся физкультурой, эффективность двигательной деятельности оценивается по степени близости техники и тактики не к индивидуально-оптимальному, а к рациональному варианту. Такая ситуация имеет место на уроке физкультуры в школе и при проведении занятий с группами здоровья.

Рациональным называется тот вариант техники или тактики, который является наилучшим для большинства людей в той или иной возрастной или квалификационной группе. Например, большинство школьников прыгает в высоту способом «ножницы» или «перекидной». Другой пример: при беге на длинные дистанции рационален бег с постоянной скоростью, без рывков и замедлений.

К рациональным вариантам техники и тактики, как к эталонам, стремятся при обучении начинающих. Например, начинающим лыжникам рассказывают, какие способы бега на лыжах целесообразно применять на равнинных участках трассы, а какие — на подъемах различной крутизны.

 

Понятно, что рациональный (т. е. наилучший для большинства людей) вариант техники или тактики может существенно отличаться от эффективного, т. е. индивидуально-оптимального варианта. Так, на дистанции 10 км рациональна тактика равномерного бега. Но двукратный олимпийский чемпион В. Куц специальными тренировками готовил себя к бегу с многочисленными ускорениями и часто побеждал, навязывая соперникам этот нерациональный тактический вариант.

Следующий показатель, характеризующий двигательное мастерство человека,— освоенность техники и тактики. Освоенностью техники и тактики называется их стабильность в стандартных условиях и устойчивость в усложненных условиях.

Освоенность количественно оценивается по снижению эффективности техники и тактики в усложненных условиях по сравнению с комфортными. В приведенном примере эффективность техники, оцениваемая числом попаданий по отношению к числу бросков, не снизилась и осталась на уровне 100%.

Известны и другие примеры высокой освоенности техники и тактики. Так, сохранились кинокадры бега В. Веденина, где этот великолепный мастер до последних метров дистанции демонстрирует филигранную технику лыжного хода, а сразу после финиша падает на руки товарищей из-за крайнего утомления.

Но далеко не всегда освоенность бывает высокой. К сожалению, слишком часто футболисты, которые на тренировках демонстрируют весьма совершенную технику владения мячом, в ответственных матчах не попадают в пустые ворота. А коллективная игра, наигранные тактические комбинации разлаживаются при встрече с сильным соперником.

Как и эффективность, освоенность техники и тактики в большинстве случаев удается измерить по шкалам отношений.

Задание для самоконтроля знаний: предложите шкалы для измерения освоенности техники или тактики в вашем виде спорта.

Точность измерений

Результат измерений всегда содержит погрешность, величина которой тем меньше, чем точнее метод измерений и измерительный прибор. В задачу биомеханических измерений входит не только нахождение измеряемой величины, но и оценка допущенной погрешности.

Различают абсолютную и относительную погрешности измерения. Абсолютной погрешностью называется величина  равная разности между результатом измерения (А) и истинным значением измеряемой величины (Ао). Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах, что и сама измеряемая величина.

За истинное значение измеряемой величины обычно принимают результат, полученный более точным методом. Например, при визуальном измерении темпа бега истинное его значение может быть найдено при помощи видеомагнитофона. Для этого бег записывают на видеопленку, затем видеозапись воспроизводят и анализируют.

В практической работе часто удобнее пользоваться не абсолютной, а относительной величиной погрешности. Относительная погрешность измерения бывает двух видов: действительная и приведенная.

Действительной относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

 

Если известно предельное, или максимально возможное, значение измеряемой величины (Ам), то наряду с действительной может быть определена и приведенная относительная погрешность:

 

Эту величину обычно указывают в технической документации измерительной аппаратуры и называют классом точности. Например, если динамометрический (силоизмерительный) прибор пригоден для измерения величины силы до 5000 Н (Вопрос для самоконтроля знаний: сколько это «килограммов силы»? И еще вопрос: с какой силой спокойно стоящий человек воздействует на пол, если масса его тела 50 кг?) и сила измеряется с абсолютной погрешностью 50 Н, то в паспорте прибора указывается класс его точности, в данном случае 1 % (приведенная относительная погрешность, вычисленная как (50/5000)·100%).

Погрешности измерения бывают систематическими и случайными.

Систематической называется погрешность, величина которой не изменяется от измерения к измерению. Например, показания весов для измерения массы тела бывают завышены и занижены.

Из способов устранения систематической погрешности наиболее эффективна тарировка измерительной аппаратуры. Тарировкой называется нанесение шкалы во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины. Например, при тарировке динамографической платформы на нее поочередно помещают грузы массой 10 кг, 20 кг, 30кг и т. д. Возникающие при этом уровни электрического сигнала (соответствующие величинам силы 100 Н, 200 Н, 300 Н и т. д.) фиксируются на ленте регистрирующего прибора. В дальнейшем результаты измерений сравнивают с полученной таким образом тарировочной сеткой (см. рис.22).

Помимо систематических погрешностей, результаты измерений искажаются случайными погрешностями. Случайные погрешности возникают в силу разнообразных причин, которые ни предсказать заранее, ни точно учесть невозможно. Случайные погрешности принципиально неустранимы. Однако, воспользовавшись методами математической статистики, можно количественно оценить величину случайной погрешности и учесть ее при объяснении результатов измерений.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике

В переводе с английского test означает «проба», «испытание». В биомеханике тестированием называется контрольное испытание человека, осуществляемое для определения его технической и тактической подготовленности. Можно сказать и так: тестирование — это косвенное измерение.

Измерение заменяют тестированием в двух случаях:

— во-первых, когда изучаемый объект недоступен прямому измерению;

— во-вторых, когда изучаемое явление не вполне конкретно.

Например, невозможно определить топографию работающих мышц и мышечную силу борца непосредственно во время схватки. Поэтому применяют косвенные измерения в тренировочных или лабораторных условиях.

Другой пример: правильнее говорить о тестировании двигательных качеств, чем об их измерении. Так, в итоге измерений, описанных в предыдущих разделах, получают показатели, лишь косвенно характеризующие двигательные качества, спортивно-техническое и спортивно-тактическое мастерство.

Чтобы педагог смог использовать результаты тестирования в своей практической деятельности, их подвергают педагогическому оцениванию, т. е. ставят оценку, выражая ее в очках или баллах. Для этого составлены специальные таблицы и шкалы педагогических оценок.

Качество теста

Точность тестирования оценивается иначе, чем точность измерения. При оценке точности измерения результат измерения сопоставляют с результатом, полученным более точным методом. При тестировании возможность сравнения полученных результатов с более точными чаще всего отсутствует. Поэтому нужно проверять не результаты тестирования, а качество теста. И проверку эту следует осуществлять еще до начала тестирования.

Качество теста зависит от его информативности и надежности.

Информативность показывает, в какой мере тест пригоден для оценки интересующего нас явления (например, одного из двигательных качеств, уровня технической подготовленности и т. п.).

Информативность иногда называют валидностью (от английского valid — действенный, имеющий силу; сравните: инвалидность — несостоятельность, недееспособность).

Различают информативность содержательную (логическую) и эмпирическую (определяемую экспериментально).

Содержательная информативность определяется «логически», из соображений здравого смысла. Например, высота прыжка — информативный показатель при контроле за техническим мастерством гимнастки, а цвет глаз — неинформативный. Но чаще всего необходимы методы определения эмпирической информативности, основанные на вычислении коэффициента информативности.

Коэффициент информативности — это коэффициент корреляции между результатами тестирования и результатами измерения критерия информативности. Критерием информативности может служить:

1) результат, показанный на спортивных соревнованиях;

2) спортивная квалификация;

3) экспертная оценка того качества, которое тестируется.

При биомеханическом контроле следует применять только те тесты, которые обладают высокой информативностью.

Приведем пример из биомеханического контроля в художественной гимнастике. Спортсменки выполняли прыжок «в шпагат». Качество прыжков оценивалось экспертами, и в то же время измерялись биомеханические характеристики: сила отталкивания, длительность фазы опоры и длительность фазы полета. Оказалось, что наибольшей информативностью обладает величина максимальной силы отталкивания: чем сильнее отталкивается спортсменка, тем (в среднем) выше качество прыжка. Коэффициент информативности этого показателя равен 0,70. Такая информативность в теории тестов оценивается как удовлетворительная. Информативность считается отличной, если коэффициент информативности равен 0,85 и выше.

Надежность теста — это степень совпадения результатов многократного тестирования одних и тех же людей в одних и тех же условиях.

Как и информативность, надежность оценивается по величине коэффициента корреляции. Коэффициентом надежности служит коэффициент корреляции между двумя рядами результатов, полученных при первом и втором тестировании группы людей. Надежность считается:

— отличной, если коэффициент надежности больше или равен 0,95;

— хорошей, когда  

— удовлетворительной при  

Отсюда название простейшего способа проверки надежности теста —метода повторного тестирования (или test-re-test метода).

Надежность имеет разновидности — воспроизводимость и объективность. Методом повторного тестирования проверяется воспроизводимость результатов тестирования. Воспроизводимость теста высока, если при втором тестировании спортсмены ранжируются так же, как при первом.

Объективностью (или согласованностью) теста называется степень независимости получаемых результатов от личных свойств человека, осуществляющего тестирование. Чем проще процедура тестирования, тем выше объективность теста. И наоборот, объективность теста снижается по мере повышения требований к квалификации человека, проводящего тестирование.

Так, высока объективность тестов комплекса ГТО, для проведения которых достаточно секундомера и рулетки. И значительно ниже, например, объективность тестов, в которых определяется экономичность техники и тактики, поскольку в этом случае нужно использовать достаточно сложные методы измерения энергетических затрат (О том, как определить коэффициенты надежности и объективности, можно прочитать в кн.: Уткин В. Л. Измерения в спорте (введение в спортивную метрологию).—М., 1978; Спортивная метрология/Под общ. ред. В. М. Зациорского.— М., 1982.).

Педагогическое оценивание

Педагогическое оценивание —завершающий этап процедуры тестирования. Оно необходимо потому, что на итоговую оценку результатов тестирования оказывают влияние пол и возраст человека, состояние здоровья, температура воздуха и другие показатели, характеризующие условия, в которых осуществляется биомеханический контроль.

Формирование шкалы педагогических оценок (Шкалы педагогических оценок не следует путать с измерительными шкалами (шкалами отношений, порядка, наименований)) — дело чрезвычайно трудоемкое. Предположим, нужно разработать шкалу для оценки результатов тестирования детей, подростков, юношей в возрасте 10—18 лет (табл. 5). В каждую из восьми возрастных групп должно войти не менее 100—200 человек. При этом каждый испытуемый должен выполнить упражнение не менее двух раз. Легко подсчитать, что общее число измерений составит несколько тысяч, и, каким бы простым ни было упражнение, сбор необходимых сведений и их обработка отнимут много времени и труда. Затраты, однако, окупаются достоинствами полученной шкалы, относящейся к классу так называемых перцентильных шкал (от английского percent — процент) (рис. 25).

 

При использовании перцентильной шкалы число баллов, полученных при тестировании, показывает, какой процент своих сверстников опередил испытуемый. Так, в шкале на рис. 25 лучший результат у детей 10 лет равен 26,5м. Иначе говоря, результат 26,5 м или ниже показали 100% испытуемых. А ребенок, показавший, например, результат 8,5 м, опередил 10% детей этого возраста.

 

Рис. 26. Наиболее распространенные формы шкалы педагогических оценок:

А — прогрессирующая; Б — пропорциональная; В — регрессирующая; пунктир — сигмовидная. Участки шкал, где наиболее высок прирост оценки (т. е. вознаграждения) за увеличение результата, выделены двойной линией. Например, прогрессирующая шкала стимулирует наивысшие достижения

 

Важнейшим параметром шкалы является ее форма.

Перцентильные шкалы имеют сигмовидную форму (см. рис. 25). Другие шкалы имеют иную форму (рис. 26). Наиболее распространены пропорциональные, регрессирующие и прогрессирующие шкалы. Регрессирующие шкалы предопределяют наибольший прирост оценки за повышение результата в области низких результатов, тем самым стимулируется массовость спорта. Прогрессирующие шкалы, напротив, стимулируют стремление спортсменов к наивысшим достижениям. И наконец, в пропорциональной шкале поощрение за прирост мастерства не зависит от уровня показанных результатов.

Тестирование двигательных качеств

Описание методов тестирования, применяемых для биомеханического контроля в физическом воспитании и спорте, начнем с тестов, позволяющих оценить уровень развития двигательных качеств. На этой основе учитель физкультуры или тренер может выбирать из числа известных или самостоятельно создавать тесты, необходимые ему в практической работе.

Биомеханические тесты выносливости позволяют установить, какой объем работы человек может выполнить и как долго может работать без снижения эффективности двигательной деятельности. Например, при беге с постоянной скоростью наступает момент, когда человек не может поддержать исходную длину шага (компенсированное утомление), а спустя еще некоторое время он вынужден снизить скорость (декомпенсированное утомление) (рис. 27). Чем выносливее человек, тем дольше не наступает утомление.

Вместо скорости можно программировать длину дистанции и измерять минимальное время, за которое человек справляется с заданием. Этот тест аналогичен соревновательному упражнению в циклических видах спорта.

Есть и третий вариант теста, когда ограничивается продолжительность упражнения и измеряется преодоленное расстояние. Известно несколько разновидностей этого теста: 60-минутный беговой тест, 7-минутный тест для гребцов, разные варианты теста Купера (беговой, плавательный и т. п.).

Согласно правилу обратимости двигательных заданий все три разновидности теста на выносливость эквивалентны (табл. 6), т. е. при тестировании группы людей наиболее выносливые в одном из этих трех тестов будут наиболее выносливыми и в двух других.

Примечание. Для тестирования выносливости используют не только циклические локомоции, но и другие физические упражнения, поэтому скорость передвижения — частный случай интенсивности мышечной работы, а преодоленное расстояние — частный случай объема выполненной работы.

 

Тестирование силовых качеств осуществляется либо в упражнениях статического характера, либо в таких общеразвивающих упражнениях, где выполняется локальная или регионарная мышечная работа. В первом случае мерой силовых возможностей служит величина проявляемой силы (Fo на рис. 14) и продолжительность ее удержания. Во втором случае определяется, сколько раз подряд человек может сжать или растянуть пружину динамометра, подтянуться, отжаться и т. п. Конкретных упражнений, в которых оцениваются силовые качества, очень много. Это неудивительно, ведь двигательный аппарат человека включает в себя около 600 мышц, которые по-разному взаимодействуют в различных упражнениях.

 

Проявляемая человеком сила зависит от позы, от углов в суставах. Влияние суставного угла на проявляемую силу иллюстрирует рис. 28. Изображенный на нем график показывает, что, например, оптимальный угол в локтевом суставе близок к 80°. В этом случае угол между направлением тяги двуглавой мышцы плеча и костями предплечья близок к 90°.

Вообще говоря, измерение силы можно проводить при любой величине суставного угла. Важно лишь, чтобы он всегда был одним и тем же.

    

Общепринятым тестом силовых качеств является подтягивание на перекладине. Но далеко не каждый может подтянуться на высокой перекладине. Поэтому полезен тест, в котором человек выполняет возможно большее число подтягиваний на низкой перекладине (см. рис. 4), и соответствующие педагогические шкалы (табл. 7). С той же целью можно использовать «отжимания» (рис. 29) и другие общедоступные упражнения (некоторые из них описаны в главе 12).

Задание для самоконтроля знаний

Нарисуйте графики, соответствующие цифрам в таблице; к какому типу относятся эти шкалы?

Тесты скоростных качеств делятся на три группы. При тестировании человек должен продемонстрировать:

1) наименьшее латентное время двигательной реакции, т. е. временной интервал между световым или звуковым сигналом («стимулом») и началом двигательного действия;

2) наибольшую скорость одиночного движения (рукой, ногой и т. д.);

3) наибольший темп циклических движений (например, боксерских ударов) или наибольшую скорость передвижения (например, в спринтерском беге).

В каждой группе бесконечное множество тестов. Какой из них выбрать? Отвечать на этот вопрос стало легче после того, как было установлено, что результаты в тестах одной и той же группы тесно взаимосвязаны, а результаты в тестах из разных групп не связаны между собой. Например, человек может с большим запаздыванием реагировать на сигнал стартера, но развивать высокую скорость на дистанции. А у другого человека может быть высокая скорость одиночного движения, но сравнительно низкая скорость бега. Но если кто-то демонстрирует высокую скорость одиночного движения рукой, то и по скорости одиночного движения ногой он опередит многих своих сверстников.

Практический совет, вытекающий из сказанного, состоит в том, что при тестировании скоростных качеств достаточно измерить три показателя (по одному из каждой группы).

Тестирование скоростно-силовых качеств осуществляется в упражнениях, позволяющих продемонстрировать и силу, и быстроту. Для этого издавна использовали прыжки в высоту и в длину с места. Одна из шкал, применяемых для оценки результатов такого тестирования, содержится в таблице 8.

Даже такой простой показатель скоростно-силовых качеств, как высота вертикального прыжка с места, приносит большую пользу. Так, Каунсилмен предлагает использовать его для выявления прирожденных спринтеров и стайеров в плавании. Пловцам-мужчинам, прыгающим на высоту 41 см и ниже, он рекомендует специализироваться на стайерских дистанциях. А тем, кто прыгает выше 55 см,— на спринтерских.

  

Для более глубокого анализа скоростно-силовых качеств регистрируют динамограмму (Динамограммой (от греческого dynamis — сила) называется график изменения проявляемой силы во времени) прыжка или другого «взрывного» упражнения и вычисляют градиент силы (т. е. отношение приращения силы к интервалу времени, за которое это приращение произошло).

Градиент силы неодинаков на разных участках динамо-граммы. Обычно в начале движения он больше, чем в конце. Поэтому вычисляют скоростно-силовой индекс— частное от деления разности между максимальным и минимальным значениями проявляемой силы на величину временного интервала, за который это изменение произошло (рис. 30). Чем выше скоростно-силовая подготовленность, тем больше скоростно-силовой индекс, так как большая сила достигается за меньшее время.

При выполнении многих физических упражнений приходится преодолевать силу тяжести своего тела. В этих случаях наиболее информативный показатель скоростно-силовых качеств — не скоростно-силовой индекс, а коэффициент реактивности. Коэффициент реактивности равен скоростно-силовому индексу, деленному на вес тела. Пример подготовки динамограммы к вычислению коэффициента реактивности приведен на рис. 31.

Тестирование гибкости чаще всего связано с измерением углов между звеньями тела (рис. 32). Делается это гониометрами (угломерами). Существуют и другие методы контроля за гибкостью (рис. 33).

Гибкость занимает особое положение среди двигательных качеств. Тем, кто занимается в группах здоровья и руководит ими, особенно важно помнить, что «потеря гибкости равносильна началу старости». Для каждодневного контроля за гибкостью рекомендуются наклоны вперед с прямыми ногами, выполняемые на ступеньке, к которой вертикально приставлена линейка с сантиметровыми делениями (рис. 34). Гибкость оценивается расстоянием от кончиков пальцев руки до опоры. 1 см на линейке соответствует одному очку. Нормальной считается гибкость, оцениваемая в ноль очков; в этом случае испытуемый достает кончиками пальцев до опоры. Если, не сгибая коленей, удается дотянуться еще ниже, гибкость оценивается тем или иным положительным числом очков. У человека, не дотянувшегося до опоры, оценка гибкости отрицательна. Например, минус 25 очков получает тот, у кого в положении наклона концы пальцев на 25 см выше опоры.

Различают активную и пассивную гибкость. Активную гибкость человек демонстрирует сам, без посторонней помощи. Пассивная гибкость проявляется при приложении внешней силы. Понятно, что пассивная гибкость выше активной.