浅析力学原理在体操教学中的应用
2011-11-08周建东
周建东 李 宁 李 德
(陕西师范大学 体育学院，陕西 西安 710062)
浅析力学原理在体操教学中的应用
周建东 李 宁 李 德
(陕西师范大学 体育学院，陕西 西安 710062)
体操是体育教育专业的必修课程，担负着培养学生基本能力的任务。而力学原理是掌握和改进运动技术,加快提高运动成绩的重要依据。运用力学原理对体操动作的受力进行分析，这样能够促进学生基本能力的提高，对体操教学的发展也具有十分重要的意义。
力学原理；体操教学；受力；分析
1 前言
体操是体育教育专业的必修课程，它在所有的体育运动技术课程中，是要求较高、难度较大的项目。但是体操教学的发展却很缓慢，很多体育老师在教学过程中一直延续以前的教法，没有创新，教学方式的落后势必会影响学生对体操这门课的兴趣。而高校的体操老师常常用力学原理分析我们所教授的动作，这样既能提高我们教学的质量，也能增加学生对体操课的兴趣，可以说，力学分析对体操教学非常重要。
作为一名体操教师，在体育教学中应该引导使学生对各项技术动作的学习和中学所学的力学知识结合起来，使体育和物理两门学科融为一体，用力学知识来指导体操教学。这样不但能够提高学生上体操课的兴趣，而且还可以巩固学生所学的力学知识，使学生听得懂、动作掌握得快[1]。在体操课上运用力学原理来辅助教学能够对提高学生的动作完成率和准确度有很大的帮助。
2 体操中常见的力及其关系
2.1体操中常见的力
力是人体运动状态发生变化的原因，人体要完成体操动作就必须受到各种力的作用。而体操动作的完成需要内力和外力这两种力的参与。人体内部各部分之间相互作用的力叫内力。内力主要包括肌肉的收缩力和组织、器官之间的被动阻力，虽然人体内力不能直接引起人体整体的运动，但是人体与外界的物体相互接触时内力可以引起外力。外力是人体各部分与外界相互作用的力。根据力学原理，人体做动作时受的外力主要有重力、弹力和摩擦力三种。而且只有外力才能引起整个人体运动状态的变化。
2.2内力和外力的关系
任何体操动作都是在内力和外力的配合下完成的。肌肉是人体系统最具有“活力”的部分，骨骼是杠杆，关节是支点，肌肉则是动力的来源，是内力的作用点。因此人体肌肉的收缩是完成动作的必要条件，没有肌肉收缩的力量便谈不上完成动作。但是，如果没有相应的外力作用，同样无法完成动作。比如，人体要从地上跳起，首先两腿要用力蹬地，蹬地的同时获得地对人体的反作用力，反作用力大于人体所受的重力时，人体便腾空而起。然而，人体腾空后，如两腿同时往下蹬，却由于没有支撑点，得不到外力作用，便无法使人体重心继续上升。因此，在分析动作的受力时，应同时考虑到内力和外力这两个因素[2]。同时当人体进行各种运动时，作用力和反作用力的问题是普遍存在的，弄清他们的关系才能正确的分析体操运动中各力的特点，这样才能让学生对动作受力有更深入的了解。
3 力学原理在体操教学中的应用
体操教学中，教师应尽量收集有关的各种图解与照片，通过挂图等教具对课上动作进行受力分析，可以弥补活体示范之不足，也可以让学生更加直观生动的了解所学动作的全过程并突出关键环节，结合示范和讲解来加深动作概念[3]。这是因为学生在学习任何一个动作的初期，通过教师的讲解和示范以及自己的运动实践，只能获得一种感性认识，对动作技术的内在规律并不能完全理解。而教师在运用讲解示范等教学手段后再结合力学原理对动作进行受力分析，可以使学生在大脑中提前把动作做了一遍，也就能形成正确的动作表象。从生物力学方面对体操动作的了解，可提高学生对体操课的兴趣，这比单纯强调某一动作环节的效果要好。
运用力学原理辅助教学是当前体操专业教学值得提倡的重要方面，不管竞技体操还是艺术体操，受力分析都具有广泛的应用。例如，体操教学中学习手倒立时教师应先进行完整示范，这时学生会进行感知形象的记忆，听完教师讲解动作的过程和要领，这时学生会进行概念上的逻辑记忆，然后教师再对动作进行受力分析[4]，如图1，假如L为人体的身体姿态，那么图中F1为身体所受的重力，F2为地面对身体的反作用力，F3为脚离地面时的蹬力，那么根据力的平行四边形原理，F4为F2和F3的合力，一开始脚离地时F3大于F2，而两者的合力F4在重力F1这条垂直线的左侧，随着F3越来越小和角a的增大，F4越来越向重心的垂直线的左侧靠近，当F4与F在一条垂直线上时，F3为零，只受F1和F2，身体达到垂直，通过手掌的支撑(这里有手掌对地面的撑力以及地面对手掌的反作用力)完成手倒立。
通过动作受力分析学生能把两种记忆联系起来，然后按照老师的讲解和示范通过自己的思考和自身的身体练习，形成动作的记忆。这样在此过程中，学生的视觉、触觉、听觉等都积极的运用起来，学生能从多方位对所学的动作进行分析理解，有助于形成正确的动作技能。
另外，在体操教学中，教师可能会教授一些难度稍大点的动作，这时受力分析比较复杂，需要教师有深厚的物理和运动生物力学方面的知识，对于这类复杂动作，我们可以建立人体运动的力学模型，将具体的运动动作简化，用这些模型来描述运动，同时为其建立内外坐标系，建立系统动力学方程来求解。例如，我们用上述方法来解剖单杠振浪这个动作。将人体简化为变摆长的双复摆模型(图2)。
图2 双复摆模型图
图3 振浪动作平面图
振浪动作定义为平面运动。令头、上肢、躯干为B1刚体，两刚体胶结。B1在O点与杠铰接(即悬挂在杠上)。m1，m2，l1,l2,i1,i2分别为刚体B1,B2的质量、长度和对于质心C1、C2的转动惯量。O1C2的距离为d，O C1的距离为r，由于屈臂它是变量；B1刚体上OC1联线与y轴的夹角为a，B2刚体上O1C2连线与OC1之间的夹角为。根据对点动量定理建立动力学方程
(4-13)
上述方程中有三个描述运动的变量γ，α，β，因为所选的力学模型是三自由度的。但运动员实际完成动作时，通过调节肌肉力，使得γ，α，β，之间有协调的关系，这就形成了控制方程。根据单杠振浪运动特点，有收腹、屈臂和鞭打三个主要技术关键，这三个环节动作做好了，振浪动作就完成得好。
下面将三个技术动作用数学语言来描述。
1)收腹运动
β=k(α-α0)
(4-14)
此式表示β随着α变化，人体控制β角作为α线性函数，κ为无量纲常量。
2)屈臂运动
r=ro-λα
(4-15)
此式表示变量r(即振浪时提臂动作)随着α变动以控制长度。
3)鞭打运动：鞭打运动是在一个极短暂的时间内将折叠的人体打开，即当人体摆幅最大时(α=αm，α=0，β=0)使β突变为0.这种鞭打动作可写为
(4-16)
其中L=m2l1d
将式(4—14)、式(4—15)、式(4—16)分阶段代入式(4—13)，即可求得在不同参数下的人体摆动规律α=α(t)。特别是可以研究作好振浪动作的技术要领。图3是某运动员在振浪动作时α与α的平面图。如果不做任何动作，即k=λ=0，人体只能作复摆运动，幅度不可能加大；当作振浪动作时，可以看出经摆动两周后角速度由3.16(1
4 力学原理在体操教学中的应用价值
体操动作的受力分析是改进、创造体操动作不可缺少的一部分，对促进体操的教学和提高，促进体操的教学研究和理论的发展具有重大意义。
1)通过教师对动作的受力分析学生能够深刻理解体操学科技术和理论知识，注重发挥学生的能动性，学生能够积极的参与到课堂的教学中来，使学生的理论水平、技术水平和综合能力得到全面提高。在教学中，这也充分体现出了教师的主导性和学生的主体性原则。
2)既改变了以前体操教学的那种单调、呆板、枯燥的教学形式，又增加了体操仪器器材的研制创新(如艺术体操转体训练仪、环节重量距测量仪等)。有利于体操理论与实践的紧密结合，适用于体操及体操相关学科的教学及研究[7]。
3)体操教学具有直观性的特点，通过对动作的受力分析，使学生的感知力、观察思维能力以及动作记忆能力均得到发展和提高[8]。
4)教师在讲解示范的同时对动作进行受力分析，一方面能够让学生注意很难看到的技术细节或技术关键，提高教学效果，另一方面可以揭示不同运动对人体局部载荷的影响，找出运动系统发生损伤的力学原因和生物学原因，从而采取合理的技术动作和预防措施，以避免运动损伤或选择合理的生物力学康复手段[9]。
因此，在体操教学中，将力学知识有机地同体操教学相结合，对研究各项动作技术，确立动作技术原理，建立动作技术力学模式来优化体操教学方法是非常必要的。
5 对体操动作进行受力分析时应注意的问题
在体操教学中对动作进行受力分析在对学生提高动作准确度方面具有显著的效果，特别是体操中动作难度较大的课程。但是我们运用力学原理进行体操的辅助教学时应注意以下几点：
1)学生的动作虽然是自己练出来的，但老师的指导起着至关重要的作用，这就要求教师不但要具有非常高的理论、技术水平，而且还要具有很丰富的力学知识，因为如果教师所具有的知识也是学生所具有的，那么在这个体操教学系统中教师就丧失了应有的主导功能。
2)学生要有一定的力学知识，能够看懂教师对动作的受力分析，同时学生也应积极的思考其他动作的受力情况，增加自己的动作表象储备，为自己顺利完成动作打下基础。
3)利用直观教具演示动作的受力时，课堂要组织严密，讲解配合要及时，否则会引起学生精神涣散，达不到预想的效果[10]。
4)在体操教学中，对动作受力分析只是体操教学的辅助手段，虽能给学生一定的直观作用，但给学生最直接最直观的仍然是教师的动作示范，所以教师仍要认真的对动作进行讲解示范。
6 结论与建议
体操技术的教学与其它体育课的教学存在着很大的差别，它不仅在于体操本身的技术特点,还在于教学手段的运用和方法不同。实验证明，正确合理运用一些直观教具，如挂图或在黑板上描述动作过程中的受力等，将动作的做法与要求直观化、明确化，不仅能提高学生的练习信心和学习兴趣，更有助于学生形成正确的动作概念，从而提高体操技术的教学质量，对以后体操教学的创新有一定的促进作用，建议在难度不是很大的体操动作教学中，除了给同学们讲解动作的要领外，还要把动作的受力分析讲给学生，给学生做动作的明确目标，以加快建立正确的空间、肌肉感觉。教学之后，还应组织学生对一些保护与帮助的手法、如何设置标志物、限制物等进行探讨、研究，以提高学生科研、创新能力，从而提高学生的实际运用能力[11]。
总之，体操与力学密切相关，任何体操动作都是在力的支撑下完成的，作为一名体操教师在授课中应尽量运用力学来解释动作，这样既简洁明了，又能够增加学生学习的兴趣，提高教学质量。
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[9] 纪仲秋，李建设.运动生物力学[M].北京：高等教育出版社，2001.
[10] 易学，冉清泉.体操与健康[M].重庆：西南师范大学出版社，2006.
[11] 范荣富.运用定向方法提高体操质量[J].南京体育学院学报，2001，15(6).
ApplicationandValueofMechanicsTeachinginGymnastics
Zhou Jiandong，Li Ning，Li De
(Institute of Physical Education，Shaanxi Normal University,Xi’an，710062，Shaanxi，China)
Gymnastics is a required courses of physical education major,carrying the task of developing the students'basic ablities.The principles of mechanics is the important basis to master and improve sports skills and speed up the improvement of athletic performances.This article uses the principles of mechanics to analyze the force of the gymnastic movement,so that it can promote the improvement of basic competencies of students,andit is also of great significance for the development of gymnastics teaching.
mechanics;gymnastics teaching;force;analysis
2010-11-09；
2011-01-09
周建东(1987-)，男，山东潍坊人，在读硕士研究生，研究方向：体操教学与训练。
G83
A
1672-1365(2011)03-0103-03
