◇蘭州市第十四中學(xué) 王 焱

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的政治經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了深刻的影響。機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)作為一項(xiàng)獨(dú)具魅力的、能激發(fā)青少年科學(xué)興趣的科技活動(dòng)，在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速。本文嘗試去探尋競(jìng)賽模式下的中學(xué)VEX教學(xué)，從而為以后的VEX機(jī)器人活動(dòng)開(kāi)展提供思路。

1 VEX機(jī)器人競(jìng)賽現(xiàn)狀

VEX機(jī)器人大賽又稱(chēng)VEX機(jī)器人世界錦標(biāo)賽，是一項(xiàng)旨在通過(guò)推廣教育型機(jī)器人，拓展中學(xué)生和大學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域興趣，提高并促進(jìn)青少年的團(tuán)隊(duì)合作精神、領(lǐng)導(dǎo)才能和解決問(wèn)題能力的世界級(jí)大賽。每年4月份的世界錦標(biāo)賽當(dāng)中會(huì)發(fā)布新的賽季規(guī)則，參賽者根據(jù)比賽規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、編寫(xiě)機(jī)器人操作程序、進(jìn)行項(xiàng)目解讀及管理，并以競(jìng)賽形式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。機(jī)器人技術(shù)作為前沿技術(shù)得到快速的發(fā)展，以LEGO、VEX等設(shè)備為代表的機(jī)器人教育在當(dāng)下已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)VEX競(jìng)賽參賽隊(duì)伍組成人員的調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，VEX機(jī)器人教育一般在學(xué)校以競(jìng)賽課外小組的形式存在，雖然有部分校外機(jī)構(gòu)同樣引進(jìn)了VEX機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行校外培訓(xùn)，但整體比賽仍以學(xué)校作為依托。在學(xué)校的機(jī)器人社團(tuán)內(nèi)每只參賽隊(duì)都有不多于四名同學(xué)參與并各有分工，社團(tuán)內(nèi)的隊(duì)伍既有交流又有競(jìng)爭(zhēng)，這樣的形式符合機(jī)器人跨學(xué)科重實(shí)踐的特點(diǎn)。

本文嘗試去探尋競(jìng)賽模式下的中學(xué)VEX教學(xué)，從而為以后的VEX機(jī)器人活動(dòng)開(kāi)展提供思路。

2 中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽比賽模式

中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽于2007年引進(jìn)了VEX機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽，比賽規(guī)則與VEX世界錦標(biāo)賽規(guī)則有所不同。參賽隊(duì)伍訓(xùn)練時(shí)應(yīng)該特別注意規(guī)則的區(qū)別。

VEX機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽以參賽隊(duì)組成“聯(lián)隊(duì)”的方式比賽，紅、藍(lán)聯(lián)隊(duì)同場(chǎng)對(duì)抗。比賽分為自動(dòng)比賽與操作手控制兩個(gè)時(shí)段，總時(shí)間為120秒。在自動(dòng)比賽時(shí)段，機(jī)器人需由預(yù)先編制的程序控制自主運(yùn)行，不能人為操作；在操作手控制時(shí)段，參賽隊(duì)員用遙控器控制機(jī)器人的運(yùn)行。

中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽中的VEX機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽分小學(xué)、初中、高中三個(gè)組別進(jìn)行比賽。從2014年比賽開(kāi)始，每個(gè)組別比賽開(kāi)始前，抽簽確定自動(dòng)比賽時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)。參賽隊(duì)必須在比賽現(xiàn)場(chǎng)編制或修改程序，這將使比賽更具有挑戰(zhàn)性，也考核了學(xué)生的編程和應(yīng)變能力。

3 VEX機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的競(jìng)賽模式將VEX機(jī)器人作為技術(shù)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作工具與學(xué)生的創(chuàng)新教育相結(jié)合。在這種模式下的競(jìng)賽教學(xué)，不是按照傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師按部就班對(duì)書(shū)本上的知識(shí)進(jìn)行講授，而是以任務(wù)為中心，尋求解答為驅(qū)動(dòng)力，從而來(lái)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3.1 基本搭建技巧

VEX機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽的參賽隊(duì)伍需根據(jù)比賽規(guī)則來(lái)搭建一臺(tái)機(jī)器人。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)通常包括底盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置、抬升裝置、拾取得分物品裝置三部分。機(jī)器人搭建完成后，先要按照比賽規(guī)則中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行自查，并對(duì)不合規(guī)定的地方進(jìn)行修改，以保證參加比賽時(shí)順利通過(guò)賽前的全面檢查，還要特別評(píng)估機(jī)器人結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，以保證自己的機(jī)器人能夠經(jīng)得住多場(chǎng)激烈的對(duì)抗賽。

（1）常用底盤(pán)結(jié)構(gòu)。

底盤(pán)是用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走及承載其上別的結(jié)構(gòu)的裝置。從使用效率和牢固性能角度考慮，一般的底盤(pán)設(shè)計(jì)多以矩形框架為主。在矩形的邊沿安裝輪子和電機(jī)等動(dòng)力裝置。有一些常用的組合方式。

實(shí)心膠輪組合的特點(diǎn)是輪子抓地性好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，不易被其他機(jī)器人推動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)適合做防守型機(jī)器人。4輪實(shí)心膠輪組合優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作；前進(jìn)后退的方向上輪子抓地性好，因而能提供較大的驅(qū)動(dòng)力；不易側(cè)向打滑；缺點(diǎn)是原地轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性差。6輪實(shí)心膠輪組合與4輪相比多了一對(duì)輪子，在承重能力上更好；前進(jìn)后退的方向上提供更大的驅(qū)動(dòng)力；不易側(cè)向打滑；缺點(diǎn)是原地轉(zhuǎn)向靈活性比4輪結(jié)構(gòu)還要差。

全向輪組合的特點(diǎn)是輪子抓地性雖然不及實(shí)心輪好，但轉(zhuǎn)向迂回非常靈活，相對(duì)來(lái)說(shuō)適合做進(jìn)攻機(jī)器人。4輪全向輪的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作；轉(zhuǎn)向非常靈活，機(jī)動(dòng)性高；缺點(diǎn)是側(cè)向摩擦力小，靜止和行動(dòng)中都非常容易受到碰撞干擾；前進(jìn)后退方向的驅(qū)動(dòng)力較小。5輪全向輪組合在底盤(pán)中央增加了一個(gè)垂直方向的輪子，在不損失正向驅(qū)動(dòng)力的情況下，讓機(jī)器人能不需要轉(zhuǎn)向即可水平移動(dòng)。

麥克納姆輪組合的特點(diǎn)是既能提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，又有高度靈活性。由于結(jié)構(gòu)限制，麥克納姆輪與地面接觸上仍然不及同尺寸的實(shí)心膠輪，因而驅(qū)動(dòng)能力上相對(duì)較弱。

（2）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

機(jī)械臂通常有兩部分，一部分為抬升裝置，一部分為獲取得分物品裝置。

抬升裝置用于將獲取得分物品的裝置抬升到一定的高度。有以下幾種類(lèi)型，單關(guān)節(jié)型一般通過(guò)多級(jí)齒輪減速或氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)主關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)潔牢固，易于制作，但抬升高度有限；升降平臺(tái)型容易獲得較高的抬升高度，但整體的牢固性差。升降梯型利用齒條作為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)件，與單關(guān)節(jié)相比能獲得更高的抬升高度，同時(shí)保持了結(jié)構(gòu)緊湊和牢固，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。復(fù)合型結(jié)合了單關(guān)節(jié)型和升降平臺(tái)型的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易獲得抬升高度，兼具牢固性，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

獲取得分物品裝置是將場(chǎng)地中的得分物品抬起并運(yùn)送到得分區(qū)域內(nèi)，因得分物品的外形及材質(zhì)不同，可能采用的獲取方式就不同，所以需根據(jù)實(shí)物決定使用什么樣的獲取裝置。有以下幾種類(lèi)型，夾子型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，夾持力較大，適合單個(gè)、體積較大的物品。鏟子型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合收集體積較小，數(shù)量較多的物品。吸取型采用兩條相對(duì)固定的鏈條或履帶為基礎(chǔ)，在其上捆扎扎帶或固定橡膠墊、橡膠輪等材料而成，抬取和釋放速度都比較快。

3.2 競(jìng)賽策略分析

競(jìng)賽技巧需要通過(guò)長(zhǎng)期的訓(xùn)練和機(jī)器人的搭建中摸索，可以從以下幾個(gè)方面著手。

適當(dāng)增加工具，除了VEX機(jī)器人套材所配備的工具外，還可以增加一些工具，如鐵皮剪、鋼鋸、角磨機(jī)、砂輪機(jī)、手電鉆、電動(dòng)螺絲刀等，這樣搭建機(jī)器人時(shí)會(huì)比較方便。工作時(shí)，一定要確保每個(gè)人都佩戴防護(hù)眼鏡。

集思廣益，需要讓隊(duì)員了解每一項(xiàng)規(guī)則，然后開(kāi)始討論，如果沒(méi)有討論就急于開(kāi)始搭建機(jī)器人，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些好的策略和設(shè)計(jì)理念。將團(tuán)隊(duì)所有的戰(zhàn)略和設(shè)計(jì)思路都列出，然后將其分類(lèi)為“需要的、想要的、希望的”。如果團(tuán)隊(duì)有時(shí)間來(lái)完成“需要”的類(lèi)目時(shí)，仍然能夠保持你們的項(xiàng)目具有競(jìng)爭(zhēng)力。如果時(shí)間允許，團(tuán)隊(duì)可以試著去完成列表中的“想要的”和“希望的"類(lèi)目要求。這僅僅是許多可行的集思廣益的過(guò)程之一。

搭建、測(cè)試、修改、完善，充分討論后，總結(jié)得出可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，并開(kāi)始搭建機(jī)器人。這個(gè)過(guò)程需要不斷地測(cè)試和修改設(shè)計(jì)，實(shí)際上這個(gè)過(guò)程團(tuán)隊(duì)會(huì)花很多時(shí)間。在修改過(guò)程中，鼓勵(lì)成員按步驟以從簡(jiǎn)到繁的方法來(lái)一個(gè)一個(gè)修改，這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，直到機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。當(dāng)完成修改測(cè)試新的編程代碼后，請(qǐng)以新的文件名保存新的代碼。編程文件都很小，幾乎不占用硬盤(pán)空間,因此還需建立一個(gè) 規(guī)范易懂的命名規(guī)則以及及時(shí)保存你的程序到一個(gè)指定的硬盤(pán)位置(系統(tǒng)盤(pán)外)。因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)不知道機(jī)器人或計(jì)算機(jī)什么時(shí)候會(huì)無(wú)法正常工作，所以到時(shí)會(huì)后悔沒(méi)有重新創(chuàng)建運(yùn)行良好的程序。搭建、修改和編程階段可能都會(huì)碰到一些困難，這些困難可能從來(lái)沒(méi)有想到，尤其是在早期的修改過(guò)程中，應(yīng)把一個(gè)“失敗”的設(shè)計(jì)作為學(xué)習(xí)和嘗試的方式,告訴所有團(tuán)隊(duì)成員,并集體反復(fù)討論，讓所有成員從中都能學(xué)到一些有用的技能及一些人際交往能力，這對(duì)每一位成員都很重要。

訓(xùn)練流程，VEX機(jī)器人的特點(diǎn)是技術(shù)難度較大，同時(shí)對(duì)隊(duì)員的個(gè)人操作水平要求的高。所以對(duì)于剛開(kāi)始認(rèn)識(shí)VEX項(xiàng)目的學(xué)生，一般遵循“ 先易后難、循序漸進(jìn)”的原則，分步驟安排訓(xùn)練內(nèi)容。第一階段，給學(xué)生設(shè)置任務(wù)，嘗試讓學(xué)生自己搭建VEX機(jī)器人，達(dá)到熟練使用工具和器材的目的。第二階段，安排編程練習(xí)，嘗試讓學(xué)生自己完成自動(dòng)時(shí)段的程序設(shè)計(jì)并結(jié)合硬件搭建，設(shè)計(jì)出自己的完整方案。第三階段，由于規(guī)則增加了自動(dòng)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)及得分物品位置的變化，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生自身設(shè)計(jì)能力的考驗(yàn)，因此學(xué)生臨場(chǎng)的隨機(jī)應(yīng)變尤為重要。這一階段設(shè)置不同的比賽變量進(jìn)行模擬賽,組織學(xué)生進(jìn)行聯(lián)隊(duì)對(duì)抗，包括內(nèi)部對(duì)抗，以熟練掌握必要的技術(shù)細(xì)節(jié)。如果有可能，聯(lián)系其他學(xué)校的隊(duì)伍開(kāi)展交誼賽，進(jìn)行切磋交流。在訓(xùn)練過(guò)程中，教練員們會(huì)發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生比較擅長(zhǎng)和喜歡硬件搭建、而有的學(xué)生則偏愛(ài)編程。因此，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)學(xué)生的特長(zhǎng)，并將其有機(jī)組合成小組，能起到很好的合作效果。

人才梯隊(duì)，為保證訓(xùn)練效果及人才梯隊(duì)建設(shè)要做好隊(duì)員的選拔工作。以初中階段為例，正式隊(duì)員由初二學(xué)生擔(dān)任，后備隊(duì)員由初一學(xué)生擔(dān)任。在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，初二學(xué)生可以承擔(dān)指導(dǎo)新隊(duì)員的任務(wù)。不僅僅是讓教練員省了些勞動(dòng)，重要的是讓學(xué)生在教的過(guò)程中學(xué)習(xí)如何歸納總結(jié)和傳授技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)VEX工程挑戰(zhàn)賽競(jìng)賽所具有的實(shí)操性特點(diǎn)，結(jié)合比賽實(shí)際情況，能夠讓學(xué)生從各個(gè)方面將學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用，使學(xué)生有較高的學(xué)習(xí)興趣，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，能夠讓學(xué)生不止止步于理論層面，而是轉(zhuǎn)為理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)機(jī)器人的搭建、程序的編寫(xiě)也能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力記憶團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對(duì)自己未來(lái)的規(guī)劃也更加明確。