Файл: Научно_методическая_деятельность.pdf

нельзя согласиться, во-первых, объектом исследования может быть только часть материи, во-вторых, спортивный прогноз может выполняться не только для случая анализа олимпийских достижений. Поэтому дадим иное определение объекта спор­ тивного прогноза. Объектом спортивного прогноза являются спортсмены, тренеры и организаторы физкультурно-спортив- ного движения. Предметом исследования - эмпирические за­ кономерности физкультурно-спортивной деятельности, свя­ занные с предсказанием явлений в сфере физической культуры. Предсказывать можно физические, технические, тактические возможности и спортивные достижения спортсменов, команд спортсменов, национальных сборных.

Стадии прогнозирования

В технологии прогнозирования выделяют три стадии. Ретроспекция, описание объекта прогноза в прошлом,

определение задачи прогнозирования. Подбор эксперименталь­ ных данных.

- Диагноз, выбор метода прогнозирования, математиче­ ского метода аппроксимации экспериментальных данных.

Проспекция, получение результатов прогноза.

Для обеспечения точности прогноза рекомендуют использо­ вать системный подход и комплекс показателей для характери­ стики прогнозируемого объекта. Однако в рамках эмпирическо­ го подхода никакие ухищрения не могут избавить исследователя (прогнозиста) от грубой методологической ошибки. Дело в том, что в рамках эмпирической методологии запрещено выполнять предсказание за пределами изученного, а именно, генеральной совокупности явлений. Поэтому при предсказании с помощью регрессионных уравнений результатов выступлений спортсме­ нов на промежуточных этапах уже прошедшего времени про­ гноз имеет силу и определенную математическую вероятность предсказания. В случае прогноза вперед, в будущее, всегда до­ пускается грубая методологическая ошибка, поскольку, как правило, происходит выход за пределы изученной генеральной

бб

совокупности, изученных явлений. Например, применение ана­ болических стероидов в спорте, начиная с 70-годов XX века, резко нарушило ход эмпирических закономерностей при пред­ сказании спортивных результатов во многих видах спорта (метания в легкой атлетике, тяжелая атлетика, конькобежный спорт и др.), а при ужесточении антидопингового контроля ре­ зультаты в этих видах спорта резко снизились. В конькобежном спорте случились скачки в 90-годах XX века в спортивных до­ стижениях, сначала из-за ввода в строй крытых катков, а затем с разработкой и внедрением в практику беговых коньков с «от­ рывающейся пяткой».

Иная ситуация случается при использовании для прогноза объектного моделирования, но в этом случае модель для про­ гноза строится в рамках теоретического направления исследо­ ваний.

Особое значение для спортивной практики имеют модель­ ные характеристики спортсменов различных видов спорта и разного уровня подготовленности. Такие модельные характе­ ристики служат основой для оценки уровня подготовленности спортсмена (команды) и определения перспектив его развития. Модельные характеристики спортсменов нашли широкое рас­ пространение при отборе и комплектовании спортивных кол­ лективов как на начальных этапах подготовки, так и при фор­ мировании национальных команд.

1.4.2. Моделирование в теоретическом исследовании

Математическое моделирование в теоретическом исследова­ нии, как правило, связано с применением дифференциальных уравнений или каких либо других математических методов ими­ тирующих процессы объективной реальности. Математические модели строятся с учетом принципов системности, природной специфичности, оптимальности и аналогичности.

Принцип системности предполагает использование в ходе моделирования системного подхода. Он реализуется на основе понятия - система. Обычно дают следующее определение:

67

система S - целенаправленное множество взаимосвязанных эле­ ментов любой природы. Определение содержит элемент субъ­ ективизма, связанный с понятием целенаправленное. Это озна­ чает, что исследователь может строить любые объекты, даже фантастические. Разумеется, это не имеет отношения к науке, которая изучает объективную реальность, а не объекты любой природы. Поэтому под системой S следует понимать часть ма­

терии, существующей во внешней среде Е как целостное об­

разование, объединяющее в единую структуру множество

разнородных элементов. В соответствии с этим определением можно выявить в живой природе вертикальный и горизонталь­ ные уровни строения. Например, вертикальный: молекулы фер­ ментов, органеллы, вирусы, клетки, ткани, органы, системы ор­ ганов (функциональные системы по П. К. Анохину), организм, сообщество, биоценоз; горизонтальный - совокупность одно­ типных систем, в частности, группа мышечных волокон или группа животных.

Построение модели возможно путем выделения в реальном объекте подсистем и более мелких элементов. Объектный (как части материи) принцип анализа элементов и структуры их вза­ имосвязи позволяет в полной мере реализовать принцип при­ родной специфичности. Принцип природной специфичности предполагает обязательный учет специфики природы объекта, закономерности его развития. Иначе этот подход называется принципом "белого ящика". "Белый ящик" - термин, обозначаю­ щий объект (модель), внутренняя структура которого исчерпы­ вающе известна, в противоположность термину "черный ящик", внутренняя структура объекта неизвестна, но наблюдателю до­ ступны входные и выходные величины. Построение модели или ее элементов с учетом функциональных связей между входны­ ми и выходными характеристиками называется функциональ­ ным подходом. Его используют, как правило, на эмпирической стадии исследования в виде различного вида регрессионных уравнений или в случае необходимости уменьшения сложности модели, когда отдельные элементы представляются как "черные

ящики". В чистом виде использовать объектное моделирование

возможно, например, для искусственных объектов - модели ав­ томобилей самолетов и т.п. Реальные объекты бесконечно слож­ ны, поэтому на практике используется объектно-функциональ­ ный подход для моделирования. При реализации этого подхода надо использовать принцип оптимизации описания объекта.

Принцип оптимизации описания объекта позволяет сохра­ нить заданную точность воспроизведения объекта и его функ­ ций при минимальных затратах на моделирование в рамках по­ ставленной задачи.

Принцип аналогичности предполагает поиск готовых вари­ антов моделей отдельных частей изучаемого объекта, что позво­ ляет существенно снизить затраты на разработку модели.

Классификация моделей

Классификация моделей может быть выполнена по различ­ ным признакам.

По признаку полноты модели делятся на полные, непол­ ные и приближенные. Полные модели обеспечивают полное подобие, во времени и пространстве. Примером таких моделей являются автомобили, применяемые в экспериментах на выжи­ ваемость пассажиров (вместо пассажиров используются мане­ кены). В большинстве случаев применяются неполные модели, однако, включающие все существенные элементы. Приближен­ ные модели включают элементы построенные на основе функ­ ционального подхода, а часть существенных элементов не мо­ делируется.

По характеру моделируемых процессов модели могут раз­ деляться на детерминированные и стохастические, статические и динамические, дискретные, непрерывные и дискретно-непре­ рывные. Детерминированные модели включают и описывают детерминированные процессы. Стохастические модели описы­ вают вероятностные процессы. Статические модели описывают объект в определенный момент времени развития, например, анатомия человека содержит описание статических моделей - скелет, мышцы, нервы и т.п. Динамические модели отражают

поведение объекта во времени и пространстве. Эти модели наи­ более полно отображают объективную реальность. Дискретные модели описывают объекты с помощью цифровых вычисли­ тельных машин. Непрерывные модели реализуются в аналого­ вых вычислительных машинах. Дискретно-непрерывные мо­ дели строятся на базе комплексов из аналоговых и цифровых вычислительных машин. Такие комплексы нашли широкое рас­ пространение в промышленности при создании автоматизиро­ ванных систем управления химическими процессами, при про­ изводстве чугуна и стали.

По форме представления объекты можно разделить на мыс­ ленные (наглядные, символические и математические) и реаль­ ные (натурные, научный эксперимент).

Мысленные модели часто являются единственно возмож­ ными и в научных исследованиях содержат некоторые гипоте­ тические представления о причинно-следственных связях. Для облегчения процесса мышления модели можно изображать на­ глядно, например, в виде блок-схемы. Высшей формой мыслен­ ного моделирования является математическое моделирование, т.е. установление соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математи­ ческой моделью. Математические модели можно разделить на аналитические, имитационные и комбинированные.

Аналитические модели представляются в виде математи­ ческих соотношений, которые затем могут быть исследованы с помощью математических методов. В настоящее время анализ упрощается, благодаря применению численных математических методов.

При имитационном моделировании математический алго­ ритм переводят в компьютерную программу. Основным пре­ имуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность решения значительно

более сложных задач. В ряде случаев возможно применение ана- литико-имитационного моделирования.

Вопросы для самоконтроля:

1.Какими основными свойствами обладает модель?

2.Как в физической культуре можно использовать стати­

стическое моделирование?

3.Почему нельзя предсказывать наперед с помощью ста­ тистического моделирования?

4.Приведите примеры модельных характеристик в физи­ ческой культуре?

5.Перечислите характерные признаки какой-либо си­

стемы?

6.Как применяется системный подход в теоретическом

иэмпирическом исследовании?

7.Почему надо использовать принцип оптимизации при

моделировании?

8.Какое различие существует между «черным» и «белым» ящиком?

9.Какими преимуществами обладают мысленные и мате­

матические модели?

питательных веществ. Животные используют энергию, содер жащуюся в их пище, для поддержания своего существования, роста и размножения. Живое извлекает структурированную полезную для живого организма отрицательную энтропию и:» окружающей среды и «сбрасывает» избыток неструктурирован ной положительной энтропии обратно в эту среду. Происходит перераспределение энтропии как формы энергии в системе жи­ вой организм - окружающая среда. Сама сложность и органи­ зованность структуры живого организма будет определяться этим перераспределением. Живое способно также «извлекать» порядок из хаотического поведения молекул своего организма, что также способствует уменьшению его энтропии как упоря­ доченной системы.

Живые организмы активно реагируют на окружающую среду и участвуют в обмене энергией, веществом и информа­ цией с окружающей средой. Живые организмы способны усва­ ивать полученные извне питательные вещества, перестроив их так, чтобы они становились подобными их собственным материальным структурам, и в результате этого многократно воспроизводить эти структуры. Способность реагировать на внешние раздражители, в том числе и на получение информа­ ции, является универсальным признаком всех живых систем - и растений, и животных. Живые организмы обладают способ­ ностью двигаться и проявлять активность при взаимодействиях

сокружающей средой.

Впроцессе самоорганизации живые организмы разви­ ваются, изменяются и усложняются. В отличие от самооргани­ зации неживых неорганических систем, где молекулы просты,

амеханизм реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для созда­ ния и развития новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состо­ яния - отрицательная обратная связь. Живой организм спо­ собен и к самосохранению, устойчивости своего существова­ ния, и к развитию, восприимчивости, и к изменениям. В живом

организме на протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся.

Все живое не только размножается, но и имеет способ­ ность к избыточному воспроизводству. Это одна из главных осо­ бенностей живого, в которой проявляется действие механизмов изменчивости и наследственности, определяющих эволюцию всех видов живой природы и условия их выживания.

Живое качественно превосходит другие формы суще­ ствования материи своим многообразием форм, сложностью химических компонентов и динамикой протекающих в живом организме процессов. Процесс усложнения структур и функций связан со все более эффективным использованием энергии, чер­ паемой из окружающей среды и превращаемой биологическими системами в сложность и разнообразие форм жизни.

Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам прису­ ще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимальным образом. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому ор­ ганизму для существования, развития и размножения переда­ ется от каждого индивидуума его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе вза­ имодействия его с окружающей средой реакция на ее индивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. Признаком живого является также биологическое узнавание.

Живые организмы способны хорошо приспосабливать­ ся к окружающей среде обитания и соответствуют своему об­ разу жизни. При этом проявляется еще одна сущность жизни - поддержание таких биологических норм, которые противо­ стоят силам, стремящимся низвести жизнь до уровня физиче­ ского равновесия.

Живые организмы имеют способность целесообразно распространяться в пространстве и времени, а также активно влиять на неживую природу и изменять в целом биосферу

Земли. Целевая функция живого объективно сводится к дости­ жению оптимальных условий для выживания вида.

И, наконец, высшим формам живых организмов присущ Разум, который и позволяет материи познавать самое себя.

Следует обратить внимание, что отдельные свойства могут встречаться и в неживой природе, но только в совокупности эти свойства присущи именно живому и в своем единстве являются критериями отличия живого от неживого. Живое от неживого можно отличить также по трем признакам: веществу (в живом - органические биополимерные молекулы), структуре (живой организм состоит из живых клеток) и функционально (живое воспроизводит себя).

Вероятно, в будущем мы сможем привести и другие призна­ ки жизни, однако и этих основных на сегодня достаточно, чтобы представить себе различие между живой и неживой природой. Хотелось бы, чтобы в определении жизни были учтены все эти функциональные признаки.

2.1. Концепции эволюции живой природы

Создание синтетической теории эволюции. Преодоление противоречий между эволюционной теорией и генетикой стало возможным на основе синтетической теории эволюции, кото­ рая выступает основанием всей системы современной эволюци­ онной биологии. Синтез генетики и эволюционного учения был качественным скачком в развитии как генетики, так и эволю­ ционной теории. Он означал создание качественно нового ядра системы биологического познания, свидетельствовал о перехо­ де биологии с классического на современный, неклассический уровень развития, начале формирования методологических установок неклассической биологии.

Принципиальные положения синтетической теории эволю­ ции были заложены работами С.С. Четверикова (1926), а так­ же Р. Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна (1929 - 1932) и др. Непо­ средственными предпосылками для синтеза генетики и теории эволюции выступали: хромосомная теория наследственности

Т. Моргана, биометрические и математические подходы к анали­ зу эволюции, закон Харди - Вейберга для идеальной популяции (гласящий, что такая популяция стремится сохранить равнове­ сие концентрации генов при отсутствии факторов, изменяющих его), результаты эмпирического исследования изменчивости

вприродных популяциях и др.

Воснове этой теории лежит представление о том, что эле­ ментарной «клеточкой» эволюции является не организм и не виду а популяция. Именно популяция выступает той реальной целостной системой взаимосвязи организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития, прежде всего способностью наследственного изменения в смене биологических поколений. Элементарной единицей наследственности выступает ген (уча­ сток молекулы ДНК, отвечающий за развитие определенных признаков организма). Наследственное изменение популяции

вкаком-либо определенном направлению осуществляется под воздействием ряда эволюционных факторов (т.е. таких фак­ торов, которые изменяют генотипический состав популяции) - мутационный процесс (поставляющий элементарный эволю­ ционный материал), популяционные волны (колебания числен­ ности популяции в ту или иную сторону от средней численно­ сти, входящих в нее особей), изоляция (закрепляющая различия

внаборе генотипов и способствующая делению исходной по­ пуляции на несколько самостоятельных), естественный отбор как «процесс, определяющий вероятность достижения опреде­ ленными индивидами репродукционного возраста» (имеющий разные формы - по относительной жизнеспособности, по фенотипическому признаку, стабилизирующий отбор, дизруптивный отбор, ведущий отбор и др.). Естественный отбор является ведущим эволюционным фактором, направляющим эволюци­ онный процесс.

Формирование синтетической теории эволюции ознамено­ вало собой переход к популяционному стилю мышления, кото­ рый пришел на смену организмоцентрическому.

Создание синтетической теории эволюции на основе популяционной генетики ознаменовало собой начало преодоления