устройство для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе

Формула изобретения

Устройство для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе, содержащее персональный компьютер в виде системного блока, оптической «мыши», дисплея и клавиатуры, детектор пульса с фотодатчиком, подключенный к системному блоку персонального компьютера, и блок программ, отличающееся тем, что в него введены дополнительно велотренажер, с расположенным вблизи его вращающегося колеса датчиком перемещения по заданному «пути», изображенному на экране дисплея персонального компьютера, силовая «мышь», выполненная в виде соединенных оптически оптической «мыши» и стержня с рулем, подсоединенным к одному концу стержня, другой конец которого в виде шара помещен в цилиндрический стакан, охватываемый элементами регулируемого трения, два аналого-цифровых преобразователя, две подставки для ног, закрепленные на фиксирующей планке на раме велотренажера, фиксатор положения руля велотренажера, выполненный в виде втулки и винта, и стабилизированный источник питания, причем детектор пульса и датчик перемещения по заданному «пути» подсоединены электрически к системному блоку персонального компьютера через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины и педагогики, а также к спортивным и игровым тренажерам и может быть использовано для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе.

Известно устройство обучения саморегуляции физиологических параметров [1], включающее непрерывное измерение физиологического параметра у обучающегося, предъявление ему его значения на экране дисплея в реальном масштабе времени в виде графика динамики регистрируемого параметра с указанием желаемого значения, которое необходимо достичь в процессе обучения, выполнения обучающимся действий, направленных на достижение последнего.

Достоинством известного устройства является то, что непрерывно измеряется физический параметр у обучающегося и на экране дисплея изображается текущее и желаемое значение измеряемого параметра.

Недостатком этого устройства является его монотонность, снижающая уровень мотивации к обучению. Это обусловлено тем, что значение физиологического параметра предъявляется обучаемому в графическом виде, что при необходимости многократного повторения сеансов обучения приводит к быстрому утомлению.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для осуществления способа обучения саморегуляции физиологических параметров на основе биологической обратной связи [2]. Осуществляется это следующим образом. Перед началом обучения каждый испытуемый получает инструкцию, согласно которой он должен удобно расположиться в кресле перед экраном монитора и по возможности расслабиться. На указательном пальце руки ему прикрепляют фотодатчик, регистрирующий длительность межпульсового интервала и входящий в состав детектора пульса, подключенного к последовательному порту микрокомпьютера, который производит преобразование в реальном масштабе времени цифрового сигнала в скорость движения участника соревнования, в данном случае лодки в спортивных соревнованиях по заплыву на гребном канале. Скорость движения лодки участника (обучающегося) зависит от степени релаксации обучающегося и соответствует степени достижения желаемого значения межпульсового интервала при оптимальном уровне релаксации. Движение лодки обучающегося как участника соревнования представляется на экране дисплея одновременно с лодкой «соперника», которого он может выбрать себе из предложенного перечня «соперников» по их «спортивным показателям», соразмерив их со своими возможностями. Для имитации реальности соревнований обучающемуся могут быть предъявлены имена, страны и личные рекорды «соперников». Далее обучающийся производит произвольные или рекомендуемые инструкцией действия, направленные на максимальное расслабление, начало этих действий соответствует старту участника и «соперника» в гонке на дистанции, при этом действия обучающегося (участника) в реальном масштабе времени отражаются на скорости движения его лодки. Скорость лодки соперника определяется его личным рекордом на данной дистанции и может быть фиксированной лишь до того времени, пока расстояние между двумя лодками не превысит 0,6% длины дистанции. Если «соперник» опережает, то его скорость уменьшается пока не сравняется со средним значением скорости (обучающегося) за последние 30 секунд. Если «соперник» отстает, то его скорость увеличивается по такому же алгоритму. Скорость «соперника» увеличивается или уменьшается за одну секунду на 0,1 величины разности между скоростями участника и «соперника». Таким образом, с улучшением результатов участника, улучшаются и результаты «соперника». Для победы в гонке обучающегося (участника) требуется, чтобы средняя скорость его лодки была выше средней скорости лодки «соперника». В случае победы в последующих заплывах обучающийся (участник) может выбрать себе «соперника» только со спортивными результатами, лучшими чем у предыдущего «соперника». Таким образом, на всех этапах обучения, кроме первого, для достижения победы участнику необходимо улучшать свой собственный результат на предыдущем этапе. В случае поражения на любом этапе соревнования участие в нем можно продолжать, начиная с первого этапа. Число этапов можно варьировать в зависимости от результативности обучения, но оно, как правило, не должно превышать шести.

Для ощущения у обучающегося реальности происходящих соревнований ему могут предлагаться, например, гонки на короткую, среднюю и длинную дистанцию. В реальном процессе обучения релаксации это означает регулирование времени обучения, когда участнику (обучающемуся) предлагают достичь желаемого значения межпульсового интервала в соревнованиях с соперником за 2-2,5 минуты, 4-5 минут и 8-10 минут, соответственно. Этапы соревнования могут быть представлены как заплывы на разных каналах в 1/32, 1/16 и т.д. вплоть до финальной гонки.

Реализация способа обучения в описанном виде позволяет обучающемуся в процессе сеанса обучения наблюдать за «прямой телевизионной трансляцией» спортивного соревнования на гребном канале, а сигнал обратной связи позволяет ему представить себя в виде одного из участников соревнования, что способствует формированию у обучающегося мотивации к обучению.

Результаты каждой гонки выводятся на экран дисплея в ходе «заплыва», результаты всех соревнований (время участника на дистанции, длительность межпульсового интервала во время гонки) заносятся в базу данных и могут быть просмотрены после окончания последней гонки.

Достоинством этого устройства является то, что решена проблема мотивации к обучению и обозначены технология и методика воздействия на обучающегося во время сеансов.

Недостатком устройства является то, что воздействуют на один физиологический параметр и не развивают большинство мышц опорно-двигательного аппарата человека и его интеллектуальные способности.

Целью данного изобретения является создание условий для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе.

Указанная цель в «Устройстве для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе», содержащем персональный компьютер, в состав которого входят системный блок, «мышь», дисплей и клавиатура, фотодатчик, непрерывно регистрирующий длительность межпульсового интервала и входящий в состав детектора пульса, подключенного к системному блоку персонального компьютера, и блок программ, управляющих работой персонального компьютера, достигается тем, что в него введены дополнительно велотренажер, оснащенный датчиком «условного» перемещения, силовая «мышь», выполненная из стержня и оптической «мыши», соединенной механически и оптически с шаром, входящим в состав стержня, на который воздействуют элементы регулируемого трения, осуществляемого с помощью прижимного узла и производимого с помощью ручек, и установленная последовательно с рукояткой руля, два аналого-цифрового преобразователя, две подставки для ног, фиксатор положения руля велотренажера и стабилизированный источник питания, причем от левой клавиши переключателя оптической «мыши» сделан вывод, оканчивающийся кнопкой, закрепленной на ручке руля велотренажера, оптическая «мышь», сканирующая поверхность шара силовой «мыши», управляет положением курсора на экране дисплея, датчик «условного» перемещения, размещенный вблизи вращающегося колеса велотренажера, и детектор пульса подсоединены электрически к системному блоку персонального компьютера через первый и второй аналого-цифровые преобразователи, соответственно, и запитаны от стабилизированного источника питания, при этом, воздействуя на сердечно-сосудистую систему и органы восприятия человека (в дальнейшем - занимающегося), развивают его физически и интеллектуально: физически - упражнениями с помощью велотренажера, дозировано нагружая мышцы нижних конечностей, с помощью силовой «мыши» - дозировано нагружая мышцы плечевого пояса и мышцы, образующие мышечный корсет позвоночника, и интеллектуально - решением интеллектуальных заданий, задаваемых с помощью персонального компьютера соответствующим программным обеспечением и решаемых занимающимся с помощью силовой «мыши» и персонального компьютера, а выполняя указанные интеллектуальные задания одновременно с дополнением физических нагрузок и физические упражнения с добавлением интеллектуальных заданий - развивают их сопряжено и взаимозависимо.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующее:

- во-первых, в него дополнительно введены: велотренажер, оснащенный датчиком «условного» перемещения, силовая «мышь», выполненная из оптической «мыши», соединенной механически и оптически с шаром стержня, на который воздействуют элементы регулируемого трения, два аналого-цифровых преобразователя, две подставки для ног, фиксатор положения руля велотренажера и стабилизированный источник питания;

- во-вторых, сделаны новые связи между узлами и элементами: от левой клавиши переключателя электронной «мыши» сделан вывод, оканчивающийся кнопкой, закрепленной на рукоятке руля велотренажера, оптическая «мышь», сканирующая поверхность шара силовой «мыши», управляет положением курсора на экране дисплея, датчик «условного» перемещения, размещенный вблизи вращающего колеса велотренажера, детектор пульса подсоединены электрически к системному блоку персонального компьютера через первый и второй аналого-цифровые преобразователи, соответственно, и запитаны от стабилизированного источника питания;

- в-третьих, воздействуя на сердечно-сосудистую систему и органы восприятия занимающегося, развивают его физически и интеллектуально: физическими упражнениями с помощью велотренажера, дозировано нагружая мышцы нижних конечностей; с помощью силовой «мыши», дозировано нагружая мышцы плечевого пояса и мышцы, образующие мышечный корсет позвоночника, и решением интеллектуальных заданий, задаваемых с помощью персонального компьютера соответствующим программным обеспечением и решаемых занимающимся с помощью силовой «мыши» и персонального компьютера, а выполняя указанные интеллектуальные задания одновременно с добавлением физических нагрузок и физические упражнения с добавлением интеллектуальных заданий развивают сопряженно и взаимозависимо.

В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют свойства, известные в других областях науки и техники, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют сопряжено взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности занимающегося на мотивационной основе, что указывает на соответствие заявляемого решения критерию «существенные отличия».

Заявляемое устройство поясняют схематические чертежи.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемого устройства в целом.

На фиг.2 представлена силовая «мышь».

На фиг.3 изображена одна подставка для ноги занимающегося.

На фиг.4 изображен фиксатор положения руля.

Устройство включает в себя (фиг.1) персональный компьютер, в состав которого входят системный блок 1, дисплей 2, клавиатура 3 и оптическая «мышь» 4 (см. фиг.2, позиция 4), входящая в состав силовой «мыши» 5, детектор пульса 6 с входящим в его состав фотодатчиком 7, велотренажер 8, оснащенный датчиком «условного» перемещения 9, силовая «мышь» 5 с выходящим из нее стержнем 10, установленная последовательно с рукояткой руля 11, два аналого-цифровых преобразователя 12 и 13, две подставки для ног 14 и 15, для левой и правой ноги соответственно, фиксатор положения руля 16 (см. фиг.1 и 2) велотренажера 8, стабилизированный источник питания 17. При этом от левой клавиши переключателя оптической «мыши» 4 (см. фиг.2, позиция 4) сделан вывод, оканчивающийся кнопкой 18, закрепленной на рукоятке руля 11 велотренажера 8, датчик «условного» перемещения 9, размещенный вблизи вращающего колеса 19 велотренажера 8, и детектор пульса 6, подсоединенные электрически к системному блоку 1 персонального компьютера через первый 12 и второй 13 аналого-цифровые преобразователи соответственно и запитаные от стабилизированного источника питания. Блок программ 20, размещенный на диске или кассете, вставляется в системный блок 1 и управляет работой персонального компьютера.

Силовая «мышь» 5 создает равномерное сопротивление стержню 10 в пределах всего заданного сектора его перемещения и плавную регулировку величины этого сопротивления. Она содержит (фиг.2) стержень 10 с несколькими модификациями сменных рукояток 11, подсоединяемых к одному концу стержня 10, другой конец которого выполнен в виде шара 21, помещенного в цилиндрический стакан 5, в котором образована среда регулируемого трения для шара 21, например, с помощью верхнего 22 и нижнего 23 трущихся элементов и стягивающего цилиндрического механического узла, состоящего из верхней 24 подвижной пластины и нижней 25 неподвижной пластины, цилиндрического прижимного узла 26 с резьбовым соединением и с откидывающимися ручками 27, 28 и резиновой демпферной пластиной 29. К нижней 25 неподвижной пластине прикрепляются оптическая «мышь» 4, сканирующая поверхность шара 21. От левой клавиши оптической «мыши» 4 сделан электрический отвод, оканчивающийся кнопкой 18 (см. фиг.1). Оптическая «мышь» 4 также соединяется с системным блоком 1 персонального компьютера с помощью электрического кабеля 30. В верхнем 22 трущемся элементе, верхней 24 подвижной пластине и в резиновой демпферной пластине 29 сделаны круговые отверстия для перемещения стержня 10. В нижнем 23 трущемся элементе и нижней 25 неподвижной пластине стягивающего узла, также сделаны круговые сквозные отверстия для сканирования поверхности шара 21 - оптическая связь шара 21 и оптической «мыши» 4. Винт 31 и элемент 32 препятствуют скольжению верхнего 22 и нижнего 23 трущихся элементов относительно стакана силовой «мыши» 5. Силовая «мышь» 5 крепится на основании 33 с помощью винтов 34, 35, 36, 37. На стержне 10 находится фиксатор положения руля 16, используемый для стопорения руля, когда занимающийся работает на велотренажере 8. Например, с помощью болтов 38 и 39 фиксируют стержень, поворачивая фиксатор 16 на некоторый угол.

Работает силовая «мышь» 5 следующим образом.

С помощью винтов 34, 35, 36 и 37 закрепляют данный узел на ровной площадке 33 велотренажера 8. Фиксатор руля 16 поднят и не влияет на работу узла. С помощью откидных ручек 27 и 28, расположенных на цилиндрическом прижимном узле 26, поворачивая его по резьбе, задают требуемое сопротивление стержня 10. Силовую «мышь» 5 с помощью кабеля 30 подключают к системному блоку 1 персонального компьютера. После этого начинают перемещать стержень 10, управляя положением курсора на экране дисплея 2. Перемещая стержень 10 влево, а затем вправо передвигают курсор в горизонтальной плоскости экрана дисплея 2. Перемещая стержень 10 от себя и к себе, передвигают курсор в вертикальной плоскости экрана. Таким образом, двигая курсор в пространстве, передвигают курсор по экрану дисплея и одновременно задают физические нагрузки на мышцы плечевого пояса и мышцы, образующие мышечный корсет позвоночника.

Когда не требуется воздействовать на указанные мышцы, фиксатор руля 16 опускают вниз, фиксируя неподвижное положение стержня 10 и руля в целом.

Работают с устройством следующим образом.

Важно определиться с мотивацией действий и поведения занимающегося, которые могут определяться как внешними, так и внутренними факторами, интересами и стимулами.

К внешним факторам можно отнести стремление занимающегося (особенно в раннем и молодом возрасте) походить на своего кумира - быть таким же сильным, ловким, быстрым, умелым и умным, а это значит, что он захочет воспользоваться представившейся возможностью достичь этого.

Другим фактором и стимулом может быть соревнование с кем-то. Победить в соревновании - вот извечный стимул поведения человека. И проще всего это обеспечивается в игровых ситуациях. Человек, а дети особенно, способны часами играть в компьютерные игры. Вот этот фактор и интерес следует использовать при определении и стимулировании внешних мотивационных потребностей.

Последнее можно с такой же уверенностью отнести и к внутренним факторам мотивационных потребностей человека. Но с возрастом страсть к соревнованиям и играм несколько угасает. Остаются внутренние побуждения: узнать что-то новое, интересное, в чем-то углубить свои познания, в чем-то разобраться более детально или способствовать оздоровлению своего организма.

Такой обобщенный подход к учету мотивационных потребностей в процессе практической реализации приобретает большую конкретизацию. Необходимо только помнить о разумном сочетании внешних и внутренних факторов, интересов и стимулов.

Пусть в качестве мотива берется соревнование с использованием велотренажера 8 и силовой «мыши» 5. Занимающийся садится на велотренажер 8, установив ноги на его педали, обеими руками берется за рукоятку 11 и смотрит на установленный на уровне глаз экран дисплея 2 персонального компьютера. Под воздействием программы, находящейся в блоке программ 20, на экране дисплея 2 высвечивается задание для занимающегося. Например, дается соревновательное задание проехать как можно быстрее на велотренажере 8 n-ное количество километров. Занимающийся фиксатором положения руля 16 фиксирует положение стержня 10 и начинает крутить педали велотренажера 8, стараясь развить наибольшую скорость. Детектор пульса 6 с помощью фотодатчика 7 следит за пульсом занимающегося, его численные значения отображаются на экране дисплея 2. Причем в системном блоке 1 персонального компьютера под управлением соответствующей программы блока программ 20 эти значения сравниваются с оптимальными, измеренными заранее при предварительном обследовании занимающегося, и отображение производится относительно минимального, оптимального, порогового и критического значения. Требования задания состоят не только в том, чтобы быстрее «проехать» расстояние, но и в том, чтобы значения пульса не выходили за пределы зоны оптимального значения для данного занимающегося. Если пульс ниже зоны оптимального значения, высвечиванием на экране дисплея 2 или соответствующим звуковым сообщением дается рекомендация увеличить нагрузку, которая может сопровождаться соответствующей мелодией. Если значение пульса находится в пороговой зоне, аналогично дается рекомендация уменьшить нагрузку. Если значение пульса вошло в критическую зону на экране дисплея 2 высвечивается световой тревожный сигнал, сопровождаемый звуковым сигналом, который предупреждает о недопустимости работы в этом режиме. Через некоторое заданное время, если нагрузка и, соответственно, пульс не войдут в норму, технические средства выключаются и соревнование прекращается. Возможно постепенное уменьшение нагрузки.

При вращении педалей велотренажера 8, т.е. при «движении» на экране дисплея 2 может высвечиваться и интеллектуальное задание, например, на внимание и память (знаки дорожного движения, животные...). По окончании «пути» занимающемуся предлагается назвать встретившиеся знаки дорожного движения или животных. Оценивается выполнение задания по затраченному времени. Неправильные ответы на вопросы интеллектуального задания оцениваются, например, штрафным временем, которое прибавляется к основному, как в биатлоне, прохождение дополнительных кругов.

С помощью силовой «мыши» 5 с убранным фиксатором положения руля и перемещением ног на подставку выполняются относительно сложные интеллектуальные задания, высвечиваемые на экране дисплея 2. Задания составляются таким образом, чтобы при их выполнении курсор перемещался по всему экрану дисплея 2, а поскольку силовая «мышь» 5 имеет сопротивление, которое можно изменять, то занимающемуся приходится прикладывать определенные физические усилия, получая дозированную нагрузку на мышцы плечевого пояса. Выполнение интеллектуальных заданий так же может сопровождаться звуковыми и музыкальными сигналами, стимулирующими их выполнение. Здесь также соблюдается соревновательный принцип - как можно быстрее выполнить интеллектуальное задание, оцениваемое по затраченному времени. Неправильное выполнение его отдельных позиций так же штрафуется дополнительным временем, добавляемым к основному.

С помощью детектора пульса 6 следят за физическим и психическим состоянием занимающегося и в предыдущем случае, управляют соревнованием таким образом, чтобы показания детектора пульса 6 находились в оптимальной зоне. Победит тот из соревнующихся, кто затратит наименьшее время на выполнение физических упражнений и интеллектуальных заданий и не выйдет из зоны оптимальных значений пульса.

Из этого следует, что занимающийся для победы в соревновании, должен обладать не только физической силой, чтобы вращать педали велотренажера и перемещать стержень 10 силовой «мыши» 5, но и иметь развитый интеллект, чтобы быстро и без ошибок выполнять интеллектуальные задания. Соревновательный режим выполнения этих заданий в данном случае создает мотивацию (интерес) их выполнения - стать победителем. А развитие достигается регулярным и постепенным воздействием на различные группы мышц и отделы головного мозга, постепенным наращиванием дозированных физических нагрузок и постепенным усложнением интеллектуальных заданий при непрерывном контроле за физическим и психическим состоянием занимающегося.

Нагружение группы мышц, образующих мышечный корсет позвоночника, можно осуществлять на данном устройстве с помощью силовой «мыши» 5, при возвратно-поступательном перемещении стержня 10 во всем секторе его перемещений с помощью выпрямленных рук (не сгибая их в локте). При этом курсор на экране дисплея 2 должен перемещаться в вертикальной плоскости от верхнего до нижнего края и наоборот. Это физическое упражнение может и должно дополняться выполнением подобранного интеллектуального задания и сопровождаться звуковыми сигналами и музыкальными мелодиями при непрерывном контроле за физическим и психическим состоянием занимающегося.

Принципы постепенности и регулярности должны соблюдаться при работе с описанным выше устройством для осуществления сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе. Постепенно, но регулярно надо наращивать нагружение мышц ног, мышц плечевого пояса и мышц, образующих мышечный корсет позвоночника. Постепенно надо усложнять интеллектуальные задания - от простого к более сложному. Постепенно увеличивать длительность занятий, учитывая возрастные, физические и психические особенности занимающегося. Обязательно регулярно проводить задания.

Каждый из двух узлов подставки для ноги 14 или 15 может, например, содержать (фиг.3), одетый на переднюю опору велотренажера 8 патрубок 38 с резиновой прокладкой 39 и согнутый пруток 40, закрепленный одним концом на патрубке 38, а вторым концом - с помощью винта 41 с шайбой 42 на фиксирующей планке 43, укрепленной на раме велотренажера 8, при этом на переднюю опору велотренажера 8, на ее конце одета опорная втулка 44. Использование подставки для ноги 14 или 15 состоит в следующем. Патрубок 38 с прутом 40 поворачивают на нужный угол (подбирается при регулировке) и фиксируют на планке 42 с помощью винта 41.

Фиксатор положения руля 16 велотренажера 8 служит для закрепления руля в момент работы на велотренажере 8 и освобождения руля и силовой «мыши» при выполнении интеллектуальных заданий. Фиксатор 16 состоит (фиг.4) из втулки фиксатора 16 и двух винтов 38 и 39, вкрученных в стержень 10 на таком расстоянии от подвижной планки 24, чтобы при опущенном положении втулка 16 упиралась в боковую поверхность подвижной планки 24, и винты 38-39 фиксировали это расположение втулки 16.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает новым качеством позволяет сопряжено и взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности человека на мотивационной основе с применением современных компьютерных технологий и тренажерной техники, причем развивать человека гармонично, максимально используя принцип «учение с увлечением».

Источники информации

1. Сохадзе Э.М., Штарк М.Б., Шульман Е.И. Микрокомпьютерная система биомеханической обратной связи//Вестник Академии медицинских наук СССР. - 1998. - №3. - С.75-83.

2. Патент РФ №2124570, А 61 М 21/60, А 61 В 5/16.