大约到了八年级或九年级,机器人这件事的性质会变。小学阶段主要是让某个东西按指令亮起来或者动起来。而对高中生来说,有意思的问题都是开放式的:让机器人穿过一段不平整的地面、按颜色分拣物品,或者赶在比赛蜂鸣器响之前完成任务。这种从照着指令做,到解决没人替你解决过的问题的转变,正是机器人开始像真正的工程的地方。

如果你家孩子已经喜欢动手做,又不满足于只会一招的套件,那么现在的目标是深度:文本式代码、真实的截止日期、专业的工作习惯,以及一批日后拿得出手的作品。下面说说这在实践中是什么样子。

对一个高中生来说,“真正的工程”意味着什么

工程不是一项单一的技能,而是一个循环:定义问题,做出设计,动手搭建,看着它失败,再把它改好。高中生已经能承担整个循环,而不只是中间好玩的那一段。这意味着要允许他们把线接错然后自己排错,要让他们去读报错信息而不是伸手要答案,还要让他们去衡量第二版是不是真的比第一版好。

硬件没有心态重要。一块微控制器主控板、几个传感器和电机,再加上一个真正值得反复改进的理由,能教会的东西比一套买回来只用过一次的昂贵套件多。你买的不是那堆塑料件,而是孩子能尝试、弄坏、再修好的次数。

从积木到真正的代码

图形化积木编程是一条不错的上手坡道,但青少年会长到不再需要它。顺理成章的下一步是 Python,具体说是 MicroPython——一种直接跑在小型微控制器上的 Python。它和数据科学、Web 开发里用的 Python 几乎一模一样,所以学的东西一点不浪费:一个用 MicroPython 读距离传感器的学生,写的就是真正的 Python。

像sheenbot∞这样的主控板能跑 MicroPython,学习者可以先从积木入手,等准备好了再在同一块硬件上切到文本代码。当一个孩子敲下自己的第一个循环、看着电机跟着转起来的那一刻,抽象的概念就落到了实处。从那里往后,函数、列表、条件判断和时序这些常规的 Python 概念,都有了实实在在存在的理由,而不再是课本上的练习题。

比赛把练习变成有分量的事

没有什么比一个截止日期和一位裁判更能磨练工程能力。机器人比赛能给青少年一样家里的项目很少给得了的东西:一个固定的题目、一条硬性的时限,以及一群可以互相比较的队伍。可靠性一下子变得要紧起来。十次能成九次的机器人,就是那种会在裁判面前的第十次掉链子的机器人,学生很快就学会为此而设计。

比赛还会教会工程里那些与代码无关的部分:在团队里分工、坚持写工程笔记、向陌生人讲解自己的设计,以及消化一次跑砸了的失落。这些能力去到任何职场都用得上。无论一支队伍是否夺冠,一个赛季下来,队员的能力都会比开始时强。

攒的是作品集,不是一堆套件

一台做完了摆在架子上的机器人,几个月后说明不了什么;一份作品集能说明很多。鼓励孩子边做边留记录:一段对问题的简短说明、搭建过程的照片或一小段视频、代码本身,以及一句诚实的备注——下次会改什么。两三年下来,这就是一份实打实的证据。

这件事的意义不止于学校。大学申请、奖学金面试和第一份工作,越来越多地要看一个年轻人到底做出过什么。一个能拿出三个有完整记录的项目、有能跑的代码、还能把其中的取舍讲清楚的高中生,比一个只有好成绩、拿不出东西的学生显眼得多。

值得早点养成的专业习惯

业余爱好者和工程师之间的差距,主要是习惯上的差距。高中正是养成这些习惯的时候,因为项目还小,犯错的代价便宜。有几条见效很快:

• 版本控制。教 git 的基本操作:把能跑的版本存下来,每次改动写一句简短说明,永远不要覆盖掉那个唯一跑通了的版本。哪怕只是简单地用,它也终结了“final_final_v3”式的混乱,而且和真实软件团队的做法是一致的。
• 可读的代码。合理的命名、简短的函数,以及一条解释“为什么”而不是“是什么”的注释。代码被阅读的次数远多于被编写的次数。
• 一次只测一件事。改一个变量,观察,再改下一个。感觉上更慢,收尾却更快。
• 一本工程日志。随手记下试过什么、结果如何。这就是在学习和只是瞎折腾之间的分界。
• 合理地复用。去读数据手册,去用现成的库,并注明出处。知道什么不必从零造起,本身就是一项工程能力。

机器人之后通向哪里

机器人是一扇很宽的门。一个孩子为了控制电机而写的 Python,和软件、数据、机器学习里用的是同一种语言。电子那部分指向电气工程和机电一体化。解决问题和团队协作则几乎适用于任何技术岗位。就算最终没有走上工程这条路,学生离开时也已经学会把一个乱糟糟的问题拆成步骤,这在哪里都有用。

重点不是替一个 15 岁的孩子定下职业,而是给他足够多真实的经历,让他能凭证据而不是凭一本宣传册来选择。一个在比赛前的深夜里排过自己代码里的错的孩子,对自己的了解是任何能力测评都给不了的。

怎么开始

你不需要自己有一间工作间。一块够用的主控板、几个元件和一个真正的项目就足以起步;如果这个年纪自我驱动还比较难,一门有结构的课程会有帮助。sheen学院开设的编程与机器人课程正是针对这个水平,而今年七月的冬季学校假期工作坊是一种投入很轻的方式,可以先试试孩子对不对得上路子,再决定要不要报一整个学期。如果你更想从家里开始,从商店买一块主控板加一套配件,足够做完第一个像样的项目。

要点

高中阶段的机器人值得认真做。越过玩具阶段,进到用 Python 写真正的代码、参加有真实分量的比赛、攒出有据可查的作品集,以及那些把工程师和业余爱好者区分开来的专业习惯。这样坚持两三年,你家孩子造出来的就不只是机器人,还有关于自己如何思考的证据。

常见问题

孩子是不是得先把数学学好?

不用。会基本的算术就能起步,而且机器人常常反过来让数学变好,因为它给了数学一个目的——角度、比例和时序一下子都变得要紧。数学是随着项目一起加深的,而不是挡在项目前面。

十年级或十一年级才开始是不是太晚了?

完全不晚。年纪大一些的青少年往往推进得更快,因为他们的阅读和推理能力已经不错。关键是尽快从真实项目和文本代码入手,而不是花一年时间停在积木上。上一节短期体验课或者一个假期工作坊,是判断适不适合的合理办法。