2.3. Естественнонаучные основы физического воспитания студентов

 

Естественнонаучные основы физического воспитания – это комплекс медико-биологических наук. Человек подчиняется биологическим закономерностям, присущим всем живым существам. Однако от представителей животного мира он отличается не только строением, но развитым мышлением, интеллектом, речью, особенностями социально-бытовых условий жизни и общественных взаимоотношений.

Физическое развитие может идти как стихийным путем (естественное физическое развитие человека), так и целенаправленно, под влиянием специально подобранных физических упражнений в процессе физического воспитания и спортивной тренировки. Знания о строении человеческого тела, о закономерностях функционирования отдельных органов и систем организма позволяют организовать процесс формирования здорового образа жизни и физической подготовки учащейся молодежи. Достижения медико-биологических наук (анатомии, физиологии, биологии, биохимии, гигиены и др.) лежат в основе организации и проведения занятий по физическому воспитанию, на них же должны основываться и самостоятельные занятия. Основные сведения из некоторых учебных дисциплин студенты вуза получают в школе. Так как в процессе физического воспитания решаются задачи формирования специальных знаний, умений и навыков, а также развития разносторонних физических способностей человека, основное внимание уделим особенностям обучения двигательным действиям, закономерностям повышения функциональных возможностей органов и систем организма.

При изучении органов и функциональных систем человека необходимо придерживаться принципа целостности и единства организма с внешней природной и социальной средой.

 

2.3.1. Организм человека как единая биологическая система

 

Все органы человеческого организма тесно связаны между собой, находятся в постоянном взаимодействии и являются сложной единой саморегулирующейся и саморазвивающейся системой. Деятельность организма как единого целого включает взаимодействие психики человека, его двигательных и вегетативных функций с различными условиями окружающей среды.

Внешние природные и социальные условия существования, с которыми человеческий организм находится в постоянном взаимодействии, могут оказывать на него как положительные, так и вредные воздействия. Отличительной особенностью человека является возможность сознательно и активно изменять как внешние природные, так и социально-бытовые условия для укрепления здоровья, повышения умственной и физической работоспособности и продления жизни.

Единство организма человека с внешней средой проявляется, прежде всего, в непрерывно протекающих сложных процессах обмена веществ.

Обмен веществ или метаболизм, это совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.

Основу обмена веществ составляют процессы катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (от греч. katabole – сбрасывание, разрушение) – совокупность протекающих в живом организме ферментативных реакций расщепления сложных органических веществ, включая и пищевые. В процессе катаболизма, который называют также диссимиляцией, происходит освобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и запасание ее в форме богатых энергией связей АТФ. К катаболическим процессам относятся клеточное дыхание, гликолиз, брожение. Основные конечные продукты катаболизма – вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, молочная кислота, которые выводятся из организма через кожу, легкие и почки.

Анаболизм (от греч. anabole – подъем) – совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей. Процессы анаболизма, которые называют также ассимиляцией, составляют противоположную катаболизму сторону обмена веществ, и заключаются в синтезе сложных молекул из более простых с использованием энергии, высвободившейся в первой фазе метаболизма.

Посредником между организмом и внешней средой является кровь, которая принимает продукты распада, а также несет к тканям вещества, необходимые для осуществления процессов ассимиляции.

Процессы ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и составляют сущность жизни. Однако между ними далеко не всегда наблюдается равновесие. Так, при процессах роста преобладают процессы ассимиляции; при голодании, тяжелых заболеваниях, интенсивном физическом и умственном труде процессы диссимиляции могут быть значительно выше процессов ассимиляции [3]. При правильном соотношении процессов ассимиляции и диссимиляции в организме взрослого человека наблюдается относительное равновесие в обмене веществ, что выражается в постоянстве веса [4]. Снижение веса свидетельствует о недостатке веществ в организме и, наоборот, прибавка в весе говорит о преобладании процессов синтеза над процессами распада.

В процессе обмена веществ различают три этапа:

1-й этап – поступление в организм питательных веществ и кислорода;

2-й этап – усвоение питательных веществ и кислорода тканями и протекание окислительных биохимических реакций с поглощением и освобождением энергии;

3-й этап – выведение из тканей и организма продуктов распада.

Кислород поступает в ткани с помощью дыхательной и сердечно-сосудистой систем, а питательные вещества – углеводы, жиры, белки, минеральные соли, микроэлементы, витамины и вода – поступают в организм с пищей.

Обмен белков в организме. Белки – сложные органические соединения. В организме они синтезируются из аминокислот. Аминокислоты характеризуются наличием в них аминогруппы (NH₂). В состав белковых молекул входят также углерод и некоторые другие вещества. Функции белков в организме многочисленны: раздражимость и сократимость мышц, пищеварительные процессы и др. Белки поступают в организм с пищевыми продуктами. Разные продукты содержат соответствующее количество белков. Для образования белков нужны определенные аминокислоты. Некоторые из них организм может синтезировать сам, но 10 аминокислот он образовывать не в состоянии, поэтому они называются незаменимыми. В белках животного происхождения, поступающих в составе пищи, содержатся все необходимые организму аминокислоты. Их называют полноценными. Белки растительного происхождения – неполноценные, т.к. не содержат всех аминокислот, необходимых для синтеза белков.

В организме человека белки в запас не откладываются. При избыточном поступлении аминокислот после отщепления от них аминогрупп образуются углеводы и жиры. Потребность взрослого человека в белках в среднем составляет 100 г в сутки, причем, соотношение животных и растительных белков в среднем должно составлять 55:45. При больших физических нагрузках, а также при высокой температуре окружающей среды потребности организма в белках возрастают до 120-170 г [9].

Конечными продуктами расщепления белков являются аммиак, мочевая кислота, мочевина, которые удаляются из организма главным образом через почки.

Обмен углеводов в организме. Углеводы построены из трех химических элементов: углерода, водорода и кислорода. В обычных условиях человек в сутки потребляет 400-800 г углеводов. При переваривании пищи углеводы превращаются в глюкозу, которая затем всасывается кровью и разносится по всему телу. Однако, благодаря взаимодействию гормонов инсулина и адреналина, концентрация глюкозы в крови удерживается на относительно постоянном уровне. Из глюкозы при содействии инсулина образуется гликоген, который откладывается в мышцах и печени.

Функции углеводов в организме многообразны, но основная их роль – источник энергии. При физической работе именно гликоген расщепляется первым. Запасы гликогена в организме относительно невелики. Поступающий с пищей избыток углеводов служит организму материалом для синтеза белков. Повысить же запасы гликогена можно, систематически занимаясь аэробными упражнениями.

Конечные продукты расщепления углеводов – вода и углекислый газ – удаляются из организма с выдыхаемым воздухом, с потом и мочей.

Обмен липидов в организме. Липиды - это большие группы жиров и жироподобных веществ различного химического строения. Они не растворяются в воде. Количество липидов в организме в норме составляет 10-20% от массы тела, при нарушении обмена веществ – до 50% [9].

В организме человека жиры играют большую и разнообразную роль. Они являются богатейшим источником энергии, предохраняют организм от температурных и механических воздействий и т.д. Нарушение функций промежуточного мозга, гипофиза, щитовидной, поджелудочной и половых желез сопровождается либо ожирением, либо истощением организма. При нормальном их функционировании организм накапливает жир при избыточном питании [9]. Для того чтобы «сжечь» 1 кг жира, человеку со средней массой тела необходимо, к примеру, пробежать в среднем темпе около 13 км.

Минеральные соли, микроэлементы и вода поддерживают необходимое осматическое давление в клетках и биологических жидкостях и наряду с белками, жирами и углеводами обеспечивают постоянство внутренней среды организма.

Витамины – специфические органические соединения, обладающие большой биологической активностью. Они оказывают значительное воздействие на обмен веществ в организме, повышая его активность. Витамины обеспечивают высокую работоспособность организма и повышают его сопротивляемость к различным заболеваниям. Некоторые витамины синтезируются организмом, большинство же из них человек получает с пищей. Активные занятия физическими упражнениями повышают потребность организма в витаминах.

Процессы распада и синтеза осуществляются путем последовательных химических реакций с участием соответствующих ферментов. С рождением человека для каждого из нас характерен генетически обусловленный обмен веществ. В процессе жизни обмен веществ регулируется гормонально, координирует же эту деятельность центральная нервная система.

Питание.Говоря о питании, рассматривают, как правило, его химический состав и количество заключенной в нем энергии. Энергетическая ценность пищи выражается в килокалориях (ккал). Этой же единицей обозначаются и энерготраты организма человека

Калорийность - это энергетическая ценность пищевых продуктов; каждый грамм белка и каждый грамм углеводов при сгорании в организме (окислении) образуют тепло, равное 4,1 ккал, а грамм жира – 9,3 ккал.

Энерготраты человека делят на две группы: нерегулируемые и регулируемые. К нерегулируемым энерготратам относят расход энергии на основной обмен и на процессы пищеварения.

Основной обмен – количество энергии, необходимые для поддержания жизненно важных функций организма при полном мышечном покое, через 12-16 часов после приема пищи и при температуре 18-20⁰. Даже в условиях полного покоя организм постоянно расходует энергию на поддержание работы сердца, органов дыхания и др. Принято считать, что при обычных условиях у человека среднего возраста и средней массы тела энергия основного обмена составляет 1 ккал в час на 1 кг массы тела.

Регулируемые энерготраты – это расход энергии при различных видах деятельности. Они особенно велики при длительном сокращении больших групп мышц. В некоторых видах спорта на выносливость высококвалифицированные спортсмены способны тратить энергии больше, чем может усвоить их организм, что стало объективной причиной ограничения величин тренировочных нагрузок.

 

2.3.2. Мышечная деятельность – необходимое условие развития организма и улучшения здоровья

 

В процессе систематических занятий физическими упражнениями в организме человека происходят многообразные изменения (морфологические, физиологические, биохимические, функциональные). При правильном и рациональном сочетании работы и отдыха функциональное состояние организма совершенствуется, что способствует повышению работоспособности.

Ограничение двигательной активности современного человека создает особые условия его жизнедеятельности, которые обозначают термином «гипокинезия» (недостаток движений). Она отрицательно воздействует на структуру и функции всех тканей организма. Гипокинезия оказывает отрицательное воздействие на двигательный аппарат. При малой физической нагрузке мышцы теряют скоростно-силовые качества и выносливость. Под влиянием же физических упражнений костная ткань утолщается, на костях образуются шереховатости, увеличиваются поперечные размеры костей и другие изменения, что способствует увеличению механической прочности костей; увеличивается сила мышц, скорость их сокращения и расслабления [9].

Вредное воздействие оказывает гипокинезия на сердечно-сосудистую систему. В мире увеличивается число людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При систематических занятиях физическими упражнениями циклического характера (бег, ходьба, плавание и др.) наблюдается увеличение размеров сердца, одновременно увеличивается объем его полостей и другие изменения, в результате чего снижается частота сердечных сокращений в состоянии покоя (брадикардия), наблюдается ее увеличение при выполнении интенсивной работы. Под влиянием физических нагрузок снижается также уровень кровяного давления, другие положительные для здоровья изменения [9].

 

2.3.3. Основы овладения двигательными действиями

 

На протяжении всей жизни человек учится выполнять множество движений. Обучение и совершенствование любого движения представляет собой процесс овладения двигательным действием.

Двигательное действие – это весьма сложная совокупность процессов, затрагивающих опорно-двигательный аппарат, центральную нервную систему, психическую сферу человека и др. В зависимости от решаемых задач, освоение конкретного действия может быть доведено до различной степени совершенства. Выделяют такие степени освоения действий как двигательные умения и двигательные навыки.

Двигательное умение – это такой уровень освоения движения, когда оно выполняется под контролем сознания, опираясь на знания.

Осваивая новое двигательное действие, обучающийся думает о том, какое движение, когда и как следует выполнять. Мыслительный процесс протекает на основе знаний о двигательном действии и особенностях его выполнения. Используется приобретенный ранее двигательный опыт, учитывается текущее состояние физических возможностей. В таких условиях обучающийся в начале не может осуществить действие легко и слитно. При каждом повторении вносятся изменения и уточнения, что дает возможность формировать эффективную систему движений и зафиксировать ее в памяти. Однако различные неблагоприятные факторы (утомление, эмоциональные сдвиги, перерывы в обучении и др.) могут разрушить освоенную систему движений, что характерно для рассматриваемой степени освоения двигательного действия.

Нередко обучение движениям заканчивается двигательными умениями без последующего перехода их в навыки (освоение различных упражнений вспомогательного характера; упражнений, используемых для воспитания координационных способностей и др.). В тех случаях, когда необходимо достичь совершенной степени овладения двигательным действием, умения являются переходными стадиями двигательного навыка.

Двигательный навык – это привычные движения, элементы которых выполняются автоматически.

В результате многократного повторения двигательного действия отдельные движения воспроизводятся без изменений. Они становятся привычными, не требуют концентрации внимания, т.е. выполняются автоматически. В дальнейшем количество таких движений увеличивается, достигают необходимой точности и повторяются без изменений целые части осваиваемого действия и, наконец, вся система движений может выполняться автоматически. Так двигательное умение переходит в двигательный навык. С образованием навыка появляется возможность переключать внимание на другие объекты деятельности. Однако такая автоматичность выполнения движений не означает, что двигательное действие выполняется без участия сознания. Человек в любой момент имеет возможность корректировать движения или прекратить двигательное действие.

При доведении двигательного действия до навыка оно становится устойчивым к неблагоприятным факторам, т.е. вырабатываются механизмы, позволяющие выполнять движения эффективно и при волнениях, сильных возбуждениях, психических сдвигах, в различных климатических условиях (дождь, ветер и др.) и т.д.

Не все двигательные действия могут быть названы физическими упражнениями.

Физические упражнения – это такие виды двигательных действий (включая и совокупности их), которые направлены на реализацию задач физического воспитания и спортивной тренировки и подчинены ее закономерностям.

В процессе освоения двигательного действия следует обратить внимание на технику упражнения.

Под техникой упражнения следует понимать систему движений человека, позволяющую ему решать двигательную задачу. Технику упражнения, благодаря которой задача решается наиболее эффективно, принято называть эффективной техникой. Понятие «двигательный навык» не означает владение только совершенной техникой. Может быть выработан навык владения не эффективной техникой. Разрушить образованный навык очень сложно, поэтому в процессе обучения, начиная с начального разучивания необходимо формировать правильную, т.е. эффективную технику упражнения.

При освоении двигательного действия решается ряд последовательных задач. В начале – ознакомление с новым упражнением. Оно включает теоретическое понимание (рассказ, показ, описание, объяснение) и получение двигательных ощущений при попытках выполнения упражнения. В результате ознакомления создается двигательное представление. Следующая задача - освоение разучиваемого упражнения или его деталей. Оно может идти аналитическим (осваиваются части упражнения и затем складываются в единое целое) или синтетическим путем (сначала в общем виде создается целое, а затем совершенствуются его детали). Процесс заканчивается, если человек сможет правильно выполнить движения. Третья задача - повышение эффективности упражнения (достижение более высокого результата) и надежности его исполнения (при заданном результате).

Говоря об освоении двигательного действия, подразумевают единый процесс овладения основами техники упражнения и развития физических качеств.

 

2.3.4. Физиологические механизмы развития двигательных (физических) качеств

 

В различных двигательных действиях находят свое выражение отдельные качественные характеристики двигательных возможностей человека. Их называют двигательными или физическими качествами.

Выделяют следующие основные качества: силу, быстроту, выносливость, гибкость и ловкость. В труде, быту, спорте они проявляются не изолированно, а в органических связях между собой. В тоже время, в каждом двигательном действии или в виде мышечной деятельности одно или несколько качеств проявляются в наибольшей степени (например, в упражнениях с отягощениями – это сила, а в ряде таких продолжительных упражнениях аэробного характера как езда на велосипеде, бег, плавание и др. – выносливость) [9].

В процессе проявления двигательных качеств отдельные органы и функциональные системы организма задействованы в наибольшей степени. Их функциональное состояние определяет степень развития того или иного качества. Под влиянием физических упражнений происходит приспособление (адаптация) к мышечной деятельности, что выражается в функциональной перестройке многих систем организма. Более значительно адаптируются те системы организма, которые были задействованы в конкретной мышечной деятельности в большей степени. Так, работа на выносливость развивает в основном органы кровообращения и дыхания; упражнения силового характера приводят к изменению химического состава и утолщению мышечных волокон [9]. Рассмотрим более подробно физические качества человека.

Сила – это способность человека преодолевать внешнее сопротивление или противодействовать ему за счет мышечных усилий.

Сила каждой мышцы зависит от характера нервных импульсов, которые обеспечивают ее сокращение, и от количества находящегося в мышцах сократительного белка. Повышение частоты нервных импульсов, посылаемых мотонейронами к мышце, а также синтез сократительного белка – пути усиления мышцы. Большое значение для силовой выносливости (способности человека выполнять работу силового характера длительное время) имеет трофическое влияние на мышцы вегетативной нервной системы [9].

Физиологической основой [9] развития силы являются:

- участие в мышечном сокращении максимально большего числа двигательных единиц;

- утолщение мышечных волокон, совершенствование их структуры и биохимических процессов;

- расслабление мышц-антагонистов и предварительное растяжение мышц-синергистов;

- увеличение согласованности в деятельности мышц-синергистов.

Быстрота – это способность человека выполнять двигательное действие или осуществлять заданную работу за минимальный промежуток времени.

В основе этого качества лежит особая координация процессов в нервно-мышечной системе, обеспечивающая быстрое нарастание процессов возбуждения в нервных центрах и мобилизацию в минимальные отрезки времени функций мышечного сокращения. Быстрота также зависит от тонкой координации движений, обеспечивающей только сокращение необходимых групп мышц и быстрое их расслабление, а также оптимальную сменность двигательных единиц в каждой из работающих мышц [11].

Различают элементарные и комплексные формы проявления быстроты.

К элементарным формам относят латентное (скрытое) время двигательной реакции (период времени между действием раздражителя и началом движения), время одиночного движения и темп движения.

Комплексные формы быстроты проявляются в виде плавания, бега и др. на спринтерских дистанциях, бросков и др. в борьбе, нанесения ударов в боксе и т.д.

Физиологическими основами [9] развития быстроты являются:

- увеличение скорости протекания возбуждения в нервных центрах;

- повышение скорости расслабления мышц;

- синхронизация возбуждения мышечных единиц и их отдельных волокон;

- увеличение лобильности соответствующих двигательных единиц и скорости распространения возбуждения по нервным и мышечным волокнам;

- повышение скорости укорочения мышечных волокон.

При выполнении физических упражнений быстрота и сила проявляются взаимосвязанно (скоростно-силовые способности человека). Юношеский (а также детский) возраст являются наиболее благоприятными для развития быстроты.

Выносливость – это способность организма выполнять работу заданной мощности в течение длительного времени.

При выполнении упражнений циклического характера выносливость неразрывно связана с функцией дыхания (прежде всего тканевого), кровообращения (обеспечивающего доставку кислорода и питательных веществ к тканям и удаление продуктов распада), выделения и терморегуляции. Различают несколько видов выносливости: общую и специальную, силовую и скоростную.

Общая выносливость – это способность организма противостоять утомлению при выполнении различной по характеру мышечной деятельности умеренной или большой мощности.

Специальная выносливость – это способность длительное время совершать работу заданной мощности в определенном виде физических упражнений. Развитие выносливости этого вида обеспечивается специфическими изменениями в организме при длительном выполнении специальных физических упражнений.

Физиологическими основами повышения выносливости [9] являются:

- степень развития органов дыхания и кровообращения (скорость диффузии О₂ и СО₂ через ольвеолярную мембрану, минутный объем дыхания, величина систолического и минутного объемов крови);

- кислородная емкость крови;

- запасы энергетических веществ в организме и возможность их использования;

- мощность аэробных и анаэробных процессов;

- емкость буферных систем и объем щелочных резервов крови;

- координация двигательных и вегетативных функций;

- скорость включения нервно-гуморальных механизмов регуляции гомеостаза;

- особенности терморегуляции.

Ловкость – способность человека выполнять сложные по координации движения при изменении динамики их выполнения и в изменяющихся окружающих условиях.

Ловкость зависит [9] в основном от комплексного развития силы, быстроты и выносливости. Непрерывно изменяющаяся обстановка в некоторых видах деятельности предъявляет высокие требования к скорости обработки информации в центральной нервной системе, которая поступает от сенсорных систем, и к скорости программирования ответных движений. В результате тренировки по развитию ловкости увеличивается подвижность нервных процессов и обеспечивается более быстрое включение различных мышц в работу и быстрые переходы от сокращения к расслаблению [9].

Физиологической основой ловкости являются [9] координационные условнорефлекторные механизмы, сформированные в условиях постоянных коррекций в связи с влиянием условий выполнения тех или иных упражнений. Это качество расстраивается в связи с утомлением, и поэтому его сохранение требует развития выносливости.

Гибкость – способность выполнять движения с большой амплитудой. Гибкость зависит от следующих факторов [9]:

- анатомических особенностей суставов;

- эластичности связочного аппарата, мышечных сухожилий и мышц;

- способности сочетать расслабление и сокращение (напряжение) мышц-антагонистов в суставах.

Таким образом, развитие гибкости связано с повышением эластичности мышц, мышечных суставов и связок, с совершенствованием координации работы мышц-антагонистов и, при многолетних занятиях, с изменением формы сочленяющихся костных поверхностей.

В процессе систематических занятий физическими упражнениями развиваются все двигательные качества. В процессе совершенствования одного из качеств в какой-то мере совершенствуются и другие, т.к. физическим качествам присуща общность некоторых механизмов их развития. Это явление носит название положительного переноса двигательных качеств. В начале регулярных тренировочных занятий оно проявляется в наибольшей степени. Наиболее благоприятное влияние на все двигательные качества оказывают физические упражнения на выносливость, в связи с чем она рассматривается как основа для развития всех других качеств.

Двигательные качества при прекращении систематических занятий перестают развиваться, затем уровень развития силы скорости, выносливости снижается до исходного. Раньше других качеств утрачивается быстрота, затем – сила, и еще позже – выносливость.