初中电脑机器人VEX项目训练与比赛中学生综合能力研究

摘 要 在VEX项目训练与比赛实践中运用科学的策略与方法，以培养学生比赛综合能力为目标，对实施有效训练与比赛，形成一套独有特色的方案，取得了较好成绩。

关键词 VEX项目；综合能力；初中；电脑机器人

中图分类号：G633.93 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）15-0030-05

1 电脑机器人比赛VEX项目介绍

VEX机器人比赛项目由来 VEX机器人大赛是由加利福尼亚州立大学（California State University）、卡耐基梅隆大学（CMU）、美国太空总署（NASA）等单位组织的一项世界级大赛，又称VEX机器人世界锦标赛。2006年中国科协将此项目引入我国，成为每年机器人大赛中五个项目中的其中一个（每个项目分小学、初中、高中三个组别）。采取“市―省―全国”层层选拔的比赛形式，每个层次第一名才能晋级下一层次比赛，每年全国冠军将代表中国参加世界锦标赛。

VEX机器人项目比赛特点 VEX项目每年都会更换不同新的比赛主题与规则，每个参赛队伍都要根据新规则重新设计比赛机器人，对所有参赛队伍而言每年比赛都是新的竞争。比赛分自动（15秒）和手动（105秒）两个时段共120秒钟进行，互动性强，对抗激烈，不仅重视竞争和结果，更重视体验过程。该项目能提高并促进青少年的团队合作精神、领导才能、创新能力、动手动脑能力与解决问题的能力，是一项很受师生欢迎的科技特色项目。

本校参加VEX比赛情况介绍 笔者从2009年连续4年辅导初中学生参加电脑机器人VEX项目比赛，多次在省、市级比赛中获奖，并在2012年获得第十二届中国青少年机器人大赛VEX项目初中组金牌。学校在此项目中虽然取得较好成绩，但要想在一段时期内保持优势还是有很大的难度，因为参赛选手大都是以初一、初二学生为主，每年都需对初一新选手重新选拔并进行有效培养，抓好这一环节才能保持项目选手的连续性，保持竞争优势。笔者经过几年的实践探究，同时参考借鉴其他兄弟学校经验，针对VEX项目中学生综合能力要求方面做了一些深入研究探讨，以期在科学理论与实践经验相结合基础上形成有效训练方案，以提升综合能力为目标，加强对初一、初二选手的培养。

2 VEX项目训练与比赛中学生应具备综合能力分析

VEX比赛每支队伍需要四个人参加，按分工不同分为两个操控手、一个指挥官、一个后勤保障手，每人各司其职负责不同具体内容，相互配合。每个选手原则上都应该具备较强的综合能力，但根据分工不同，每个角色能力培训重点也不相同。

指挥官具备的能力分析 指挥官有时候是一场比赛成败的关键，指挥得当，操作手进攻与防守都会有序进行，否则比赛就会变成毫无章法的混战，作为一名指挥官应具备以下几种能力。

1）指挥比赛能力。在训练与比赛中要根据场面情况进行合理分析、判断，指挥己方两个操作手进行有效的进攻与防守的能力。

2）团队合作能力。有良好的集体主义精神与荣誉感，协调上场比赛中三人之间的关系，通力合作尽量少犯错误，但一旦出现问题，要有稳定军心的能力。

操作手具备的能力分析 操作手是比赛的灵魂，比赛进攻与防守倚重操作手去完成，作为一名操作手应具备以下几种能力。

1）情绪控制能力。在比赛中克服竞赛焦虑症带来的消极影响，在任何时候能较好的控制自己的情绪，放下多余思想包袱，学会轻装上阵，有良好的自控能力。

2）临场应变能力。在比赛中能沉着冷静的应对各种不可控制的内外部因素影响，以不变应万变，具备对赛场中发生任何事情都能灵活处理的能力。

3）动手与动脑能力。在训练与比赛中能独立自主设计、检查、修护、维修机器人，碰到问题能及时分析、判断并解决问题。

后勤保障手具备的能力分析 后勤保障手虽然不用上场比赛，但其协作与帮助同伴的作用同样重要，是一个小组团队中不可分割与忽视的力量。

1）认真仔细注重细节能力。能时刻保持清醒头脑，注重训练与比赛各个流程环节中每个细节的处理，有为同伴及时提供各种后勤保障帮助的能力。

2）帮助同伴及时调控情绪能力。能及时帮助同伴在比赛中缓解各种紧张情绪，调整好心态进行比赛。

3 综合能力培养策略设计

从学生对VEX项目完全陌生到能胜任比赛所需的综合能力需要较长的训练培养才能形成，笔者在几年的实践中以系统整体原理为指导[1]，把学生训练、比赛中各相关因素看作一个有机整体，以科学训练策略、训练方法与能力培养为抓手，形成了一套相对完整的实施有效训练与比赛的方案。

分阶段训练策略 如何从初一新生中挑选出合格胜任的选手，需要经过理论学习―基本技巧练习―战术策略训练―综合实战能力培训几个从易到难的阶段。每个阶段都需要2～3个月的时间进行，期间不断淘汰不合格选手，最终剩下八位选手做最后综合训练与比赛。

以旧带新策略 榜样的力量是无穷的，组织新选手参观老选手训练，老选手对机器人进行熟练操控情景可有效激发新选手的兴趣产生参与动力，实践表明，由老生训练新生效果有时比教师训练新生效果还要好。

对抗训练策略 VEX比赛是二对二共四台机器人在场的对抗比赛，所以一开始训练就把学生分成两组进行对抗训练，这样能增加竞争对抗意识，在竞争对抗中锻炼培养综合能力。

小组合作训练策略 VEX小组训练开始就要求小组内相互学习，每次训练都是在共同协商后才进行，即重视训练数量更重视训练质量。

自主动手动脑策略 从机器人的设计到搭建以致机器人零件维护、保养、更换都由学生亲自操作，教师承担指导工作。教师大胆放开手脚让学生自主去探究，在可控范围内允许学生犯错误，学生在教师的指引下充分发挥聪明才智参与实践锻炼，可有效提升动手动脑方面的能力。

4 具体实例实施

2013年主题为“夺垒奇兵”VEX工程挑战赛训练实例。

理论学习初级阶段

1）计划目标：从新初一学生中选出对VEX项目感兴趣的学生

2）方案实施时间：两个月。每周进行一天理论培训，每次1.5小时。

3）具体行动内容：每年组织新初一学生进行机器人图片展览与视频观看，观摩VEX选手进行的机器人表演，学生通过观看视频、图片、表演在心里产生荣誉感，激发学生兴趣爱好，然后召集有兴趣的学生做简单游戏竞赛与理论知识培训。内容包括信息技术、造型技术、电子学、物理学、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术知识，人数大约30人左右，经过两个月理论知识培训后进行纸质考试，从中挑选出16人进入下一轮培训。

初级技巧训练阶段

1）计划目标：在16名学生中挑选八名具有VEX比赛潜能的学生。

2）方案实施时间：两个月。每周进行五天训练，每次1.5小时。

3）具体训练方法：无论每年VEX项目竞赛主题、比赛规则、机器人构造、功能如何变化，其共同之处都是机器人去拾取得分物品投放到得分处，双方在120秒钟比赛后进行计分决定胜负。因此，每年都需要从机器人拾取得分物品开始做基本技巧训练，从简单技巧训练慢慢过渡到复杂的综合训练。

①时间知觉训练法（运动心理学术语，时间知觉为选手对时间长短、快慢、节奏和先后次序关系的反映，本研究借用此概念就是要训练学生的时间节奏感，为有效地运用技能、战术、策略打下基础）。在105秒钟手动时间内，每隔30秒就有专人播报一次时间，以便在学生头脑中逐步建立时间知觉概念，在此基础上再取消由别人报时，转而让学生自己能大概每隔30表自动报时，这样在比赛中选手就能在不同时段内灵活采取各种战术策略进行比赛。

②录像回忆法。在训练与比赛中全程进行录像，事后进行回放，察看运动技能、战术、策略等要素运用情况得失，以便在比赛中头脑能形成正确清晰、固化的步骤。

③情绪控制法。正式比赛时选手在特定环境中生理、心理上都会产生高负荷，很容易出现心跳加快、呼吸急促、手心出汗、手脚僵硬冰凉、肠胃痉挛、脑子一片空白等竞赛焦虑症现象[2]65。平时训练就要让学生学会利用深呼吸来调整情绪，如先蹦跳30秒促使人兴奋后迅速闭目养神，大口呼吸到慢慢均匀呼吸，努力使心情平静、肌肉放松，也可以在情绪波动时适当听音乐进行调整，每天坚持训练，这样对消除紧张情绪会有好的效果。

4）具体行动内容：

①小组分工，把初步挑选的16名学生分成两个小组进行一对一的对抗训练，由于初一学生在生理、心理等方面发育还没有成熟，以前也没有接触过机器人这个项目，因此在实际训练中表现都很兴奋，情绪波动明显、操控机器人时会显得很紧张。如何才能有效的进行训练，可以在每个小组内进行分工合作，当一个学生操控训练时，组内中一个人专门负责提醒操作手对遥控器的操控是否熟练；一个人负责提醒机器人操控的熟练程度；一个人负责训练后场地器材摆放；一个人负责30秒报时提醒；一个负责录像回放。每次训练都是先小组内商量后再开始进行，每人每次训练105秒，最后登记拾取沙包的数量。

备注：场地分红蓝双方，每方有两个颜色方块为机器人最开始位置启动区，各方机器人负责把沙包拾取后放到中间相应颜色的槽中。

②分阶段训练。

第一阶段（四星期）红蓝双方各自在自己半场地（机器可以穿过中间护栏）进行拾取沙包，绿色沙袋与黄色沙袋分值相等，主要观察每个人利用遥控器对机器人拾取沙包操控的熟练程度。

第二阶段（两星期）红蓝双方各自在自己半场地（机器可以穿过中间护栏）进行拾取沙包，绿色沙袋与黄色沙袋分值不相等（一个黄色沙包分值相当于五个绿色沙包），继续观察每个人利用遥控器对机器人拾取沙包操控的熟练程度与初步战术技巧（如何先保证拾取分值高的物品）。

第三阶段（两星期）红蓝双方各自在自己半场地（机器可以穿过中间护栏）进行拾取沙包，但操控手站位是在机器对面，绿色沙袋与黄色沙袋分值不相等（一个黄色沙包分值相当于五个绿色沙包），继续观察每个人利用遥控器反向对机器人拾取沙包操控的熟练程度与初步战术技巧（如何先保证拾取分值高的物品）。

VEX训练场地图如图1所示。

③训练效果与分析，如表1所示。

由表1可以看到，在第一阶段初一新生情况大体相同，都没有接触过VEX机器人，对如何用遥控器去控制机器人拾取沙包的经验都等于零，所有同学在同一起跑线上。总体看学生使用遥控器的手感都不好，心情比较紧张，情绪波动大，一旦有沙包难拾取时就显得很慌张。随着时间的推移，每次训练时启用录像回放技术、呼吸控制情绪方法、小组商量策略后有些学生能迅速找到自己的弱点并及时克服。由于每个人手感、情绪控制能力、知识理解接受能力存在差异，在大约四周时间训练后学生拾取沙包数量开始出现有比较大的差距，情绪控制好的学生能充分放松肌肉与缓解紧张心情，遥控器操控的手感比较好，拾取沙包数量就会多，相反心情紧张情绪波动大的学生手感就不好，拾取沙包数量自然就比较少。

有了第一阶段的基础，在第二阶段两周训练期间，学生表现进一步出现分化现象，能比较好利用呼吸调节情绪法去训练自己的学生在操控上开始显得很从容，身体肌肉、手指能充分放松，使用遥控器的手感开始形成，也开始慢慢学习战术策略技巧，会优先拾取高分沙包，整体得分数量都在上升。

在第三阶段两周训练期间，由于是面对机器人反向操控，难度增加，有些学生适应能力不够，开始时整体分数都在下降，但有些综合素质强的同学，在每次训练后反复观看自己的视频回放情况，然后小组一起商量解决办法，能迅速调整自己的状态，最终能达到第二阶段拾取沙包的数量，能力逊色的学生反向操控逆向思维与情绪控制方面则始终进步不明显。

经过三个阶段的训练，最终将挑选八位综合能力较好学生做最终的正式训练与比赛，八个学生分成两个小组与老选手进行对抗练习。女生整体上对机器人的操控能力逊色于男生。

技巧、战术综合训练阶段

1）计划目标：在小组内考核每个人适合担任的角色；确认小组分工后整体的技巧、战术实战配合综合演练。

2）方案实施时间：三个月，每周进行五天训练，每次1.5小时。

3）具体训练方法：本阶段着重是有关战术策略、模拟演练、抗干扰应变能力的实战演练，在前几种训练方法的基础上，结合以下两种方法一起综合训练。

①模拟对手的多种战术法，针对不同的假想对手，设计不同的进攻、防守战术策略进行模拟演练（老选手模拟假想对手），在比赛中就能根据不同对手灵活采用各种有效的战术策略。

②因素干扰法，比赛中存在各种可控制与不可控制因素干扰比赛[2]89，尽量模拟比赛赛程混乱、裁判不公、场地不规则、机器人出故障等干扰因素，训练学生碰到任何干扰因素都能在较短时间内冷静分析问题，准确判断，做出合理的决策，调控比赛朝着有利于自己方向发展。

4）具体行动内容

①小组分工。把八名新学生分成两个新小组与两个老选手小组进行对抗训练，以旧带新，新小组内两个人担任操作手，一个人担任指挥官，一人担任后勤保障手负责进行报时、录像、细节提醒、机器维护等操作。如图2所示，比赛每方有两台机器进行二对二的四台机器对抗训练，每次训练都是先小组内商量后再开始进行，每人每次训练105秒，每天登记对抗的输赢结果。

②分阶段训练。

第一阶段（一个月），新小组内角色轮流担任，在老选手的帮助下学会各种技巧、战术配合内容，并观察考核新小组中每人适合担任何种角色。

第二阶段（一个月），新生在老选手的帮助下逐渐学习机器人的设计、搭建、编程，最终每个新小组有两台机器人使用，每台机器人的维护、维修工作由学生自己解决，遇到大困难时才由指导老师解决。

第三阶段（一个月），在新小组内固定角色后重新进行新、旧小组战术模拟对抗练习，期间增加各种干扰因素进行各种对手、战术模拟实战训练。增强赛前心理辅导训练。

③训练效果与分析

由表2可以看到，首先是新选手个人能力方面存在差异，在每个角色轮流扮演中，有些人适合担任操作手但不适合担任指挥官，有些人适合担任指挥官但不适合担任操作手（带*号在班里担任班干的学生指挥能力相对强），综合能力出众的学生只有1～2个。其次是以前都是一对一的对抗训练，战术策略相对比较陌生，在本次训练的第一、二阶段（两个月）新选手之间缺少相互配合进行进攻、防守、协防、卡位等有效战术，比较喜欢独来独往，操作手与指挥官之间配合需要磨合，小组合作有所欠缺。结果是他们在与老选手对抗前期基本是输多赢少，后来通过相互小组合作学习综合能力逐渐增加，赢的机会也慢慢增多。经过两个月的训练后每个人的角色大概能确定下来，为最后综合训练打下基础。此表也可以看出新2小组的综合能力强过新1小组。

第三阶段（一个月）主要是进行赛前心理辅导训练与运用各种战术策略、应对干扰因素的综合实战训练。老选手在综合能力、应变能力、比赛经验方面稍微好一点，新2小组随着经验、能力的增加，对抗次数增加，输的次数在减少，综合能力在不断提高，最终能基本达到比赛的要求。

参加各级比赛 新生与旧生平时训练中各种能力达到什么样的水平需要在真实的各级比赛中进行检验。学生通过赛前训练，赛后总结经验教训，查找自身的优缺点，不断提高了综合能力。

5 方案实施成效

此训练方案在近几年实践检验中显示较有成效，在国家―省―市各级比赛中都取得不错成绩，具体如表3所示。

6 研究结论及后续研究

科学有效的训练策略、训练方法是培养学生综合能力的重要保障 科学有效的训练策略、方法结合有效的实践经验，配合相应理论指导对培养学生的综合能力是十分有效的，由此形成的训练方案一年一个循环，即新选手的培养与筛选―学生相关知识的学习―在实战中战术策略与能力的培养―赛前心理辅导―赛后总结完善方案―新学年再循环，每一次循环实践都是一次总结提高完善的过程。流程图如图3所示。

学生综合能力迁移是后续研究的重要内容 如何把训练与比赛中形成的能力转化迁移到学习、生活中，有助于学生综合素质与学习的提高[3]，这是以后需要仔细研究探讨的问题。学生参与训练、比赛只是能力培养的一种手段，在比赛中形成的各种综合能力让学生终身受益才是教育的目的。

参考文献

[1]胡卫平.青少年科学创造力的发展与培养[M].北京：北京师范大学出版社，2003：32.

[2]张力为，毛志雄.运动心理学[M].上海：华东师范大学出版社，2004.

[3]洪显利.教育心理学的经典理论及其应用[M].北京：北京大学出版社，2011：333.