real playing – Alan Kay

目标与理念

CodeLab AdapterCodeLab 为编程教育构建的基础设施。

CodeLab Adapter 3.0 的目标是成为继 Scratch/Etoys 之后,最有趣的编程学习启动平台。追随 Alan Kay “real playing” 的理念。

CodeLab Adapter 经过之前两个大版本的迭代,历时两年多,我们对问题域有了更清晰的认识: 关于如何为编程入门、 AI 教育、 开源硬件、空间编程… 提供一个理想的环境, 在这个环境中,创造成为一件稀疏平常的事情, 而不是先与糟糕的编程环境来个殊死搏斗。 这个问题背后是一个更大的母题, 它正是 Seymour Papert/Alan Kay/Marvin Minsky/Bret Victor 以及 Smalltalk 社区 同时关注的一个问题: 计算机如何为创造精神提供支持?

对这个问题的理解,我们受以上先驱的强烈影响。 CodeLab Adapter 3.0 正是这些影响下的最近产物。

先睹为快

CodeLab Adapter 3.0 的升级主要围绕 简易灵活健壮 三大特性,以下逐条陈述。

简易

彻底采用 Web UI

Web UI

3.0 彻底放弃了之前的桌面 UI (它们曾分别基于 guizero 和 PyQt5(主要由 CodeLab 志愿者 @liheng @Bilikyar 设计,由 @wangshub 实现) )。

彻底采用 Web UI 之后提升了 3 个方面的 简易性 :

  1. 对于用户而言,所有的控制都在浏览器的一个界面中。用户无需在浏览器和 GUI 之间切换。对易用性的关注并移除无关的干扰元素,主要受到 @曾老师 的影响。
  2. 对于开发者/第三方公司而言,由于一切都从 Web UI 控制, 意味着 CodeLab Adapter 只是纯服务,由 websocket/REST 接口完全控制,如此一来,它可以与任何软件(如 Electron)或 web 网站进行集成,这让它可以配合任何编程语言使用,学习者在一开始就可以做些真实而有趣的事。由于 Web UI 只是 html 和 js,所以可以由第三方公司任意定制!目前 Longan 项目将其用于扩展 machine learning for kids 和 龙眼盒(用于空间编程), 让 AI 和物联网 变得更有趣。
  3. 简化 CodeLab Adapter 的 UI 体系,跨平台将变得容易,因为没有任何系统 UI 依赖,它可以轻松运行在所有主流操作系统上,甚至包括安卓!我们也支持了 headless 模式,headless 模式对集成到其他软件至关重要,CodeLab Adapter 3.0 可以方便集成到硬件产品里。

增强反馈

这是之前许多用户在有邮件里提到的功能增强需求, 用户希望在使用时,收到清晰明确的反馈信息,诸如

  • CodeLab Adapter 是否已经成功接入 Scratch

  • 硬件设备(诸如 micro:bit, Arduino, Cozmo)是否已经连接成功

  • 环境依赖不满足或者设备掉线之类的提示信息

以及更多的信息提示,这对于诊断问题和自助使用很重要。

自省

自省的意思是说事物理解它自身的状态,当我们说一个事物 智能 的时候,很多时候和它的自省能力有关。

CodeLab Adapter 拥有自省能力,它理解自身内部以及自身所处环境的状态,并将这些信息反馈给使用者。

以下是 CodeLab Adapter 报告的运行时信息,以及它所处环境的信息 (你可以在 Web UI 右边栏菜单里打开它)。

env

自省信息有多种用途,诸如服务于 Python 教育或者插件开发者。如果你希望让 Python 做些真实世界里的事情,处理你的照片或者自动化你的 word 文档。那么你就很难使用基于云端的环境来做。此时用户需要在本地安装 Python。CodeLab Adapter 将让 Python 入门教育变得容易,对于入门者,在命令行里安装依赖库,是令人生畏的。

由于有了自省能力,假设我们想为用户构建一个 jupyterlab 插件,当发现用户本地没有安装 Python,则给 Ta 安装引导提醒,如果发现 Ta 已经安装了 Python,但没有安装 jupyterlab,我们可以利用环境自省信息,在插件里决策,帮助用户安装 jupyterlab , 安装完成后运行它,这个假想的插件,我们已经完成,你可以拿到它的源码,以便于构建你自己的插件,为用户打造新的学习环境。

所有这一切在 CodeLab Adapter 里,只需要写 100 行不到的代码,跨所有平台!源代码在这儿: extension_jupyterlab.py

更多开箱可用的开源硬件

目前最流行的三大开源硬件是:

  • micro:bit
  • Raspberry Pi
  • Arduino

CodeLab Adapter 对 micro:bit 的支持是开箱可用的。

CodeLab Adapter 可运行在树莓派上。

但对 Arduino 的支持颇为曲折,一方面,是重视程度不够,我们认为 micro:bit 是未来,它正在替代 Arduino,至少在教育领域如此。但 Arduino 在全球依然拥有海量的用户和庞大生态,许多用户在邮件和 Github 里提议我们为 Arduino 构建驱动,在 3.0 版本中,这项工作终于完成,做到了开箱可用, 我们依赖于开源社区的许多已有工作, 我们把教程和感谢信息都放在文档页里了。

至此,对全球 3 大开源硬件的支持已经完成。

未来我们会持续加入更多的开源硬件支持,如 esp8266 等。

灵活

3.0 中,为灵活性所做的工作主要包括以下几个:

  • 重构消息结构
  • 重构插件系统
  • 插件市场

分别论述。

重构消息结构

在 3.0 中,我们基于著名开源项目 – Jupyter的消息结构,重构了 CodeLab Adapter 的消息结构。当然关于消息系统的实现机制,我们没有采用 Jupyter 的策略,而是受 Dynamicland 影响,采用 “one world” 的概念,所有事件发生在一个消息通道里,一切都是异步消息,同步消息只是异步消息的一个特例,这点和 ROS 的策略相同。关于同步异步的细节,参考 EIM 插件源码

世界是事实的总和,而非事物的总和 –维特根斯坦《逻辑哲学论》

在 CodeLab Adapter 中,所发生的一切都是消息。所有发生的事都被描述为事件( event ),之后异步地软件世界里传播它。每条消息的逻辑结构为:

  • parent_header
  • header
    • version
    • message_id
    • message_type
    • token
    • username
    • sender
    • node_id
  • content

重构插件系统

重构了插件系统,这是 3.0 最大的改进之一,对于开发者来说可能没有之一。

在 2.0 中, 有以下 4 种方式来扩展 CodeLab Adapter :

  1. EIM
  2. Adapter extension
  3. Adapter Node
  4. 跨语言支持

其中 3.Adapter Node 允许将 Python 生态里的海量的第三方库接入到 CodeLab Adapter 里, 这也是开发者最喜欢的一种接入方式。在 3.0 中,我们将 Adapter NodeAdapter Server 合并,这意味着 任何 的 Python 程序都可以成为 CodeLab Adapter 的插件!如此一来写一个 AI 拓展就是轻而易举的事,因为大多数的 AI 项目都发生在 Python 社区!而且允许你使用 CodeLab Adapter API 来控制这些自定义插件,甚至,我们在下文里会提到,你可以发布到插件市场,供用户下载使用!具体细节,可以看 3.0 里已有的 node, 它们的源码都在nodes_v3目录里。

将一款自研硬件或一个 AI 服务引入 Scratch,进而作为教育产品发布,不再需要经历过去漫长的周期,发布一款 CodeLab Adapter 插件即可。CodeLab 将大疆(DJI)的 RoboMaster EP 接入 Scratch 用了不到一个 10 分钟的时间,所有的源码不超过 100 行,源码在这里:extension_RoboMaster.py

一旦一款新设备接入进来,它将得到其他许多好处 – 获得与体系里任何事物连接的能力: 所有主流编程语言,主流 AI 应用(语音/视觉),所有主流开源硬件,以及与玩家已有的有趣产品(cozmo/toio/乐高)连接并互动。让它们彼此增强,扩大创造的可能性和可玩性,而不局限在任何单一厂商设备已有的能力里。

此外,市面上最好的 Python 学习环境Jupyterlab 已成为内置的插件,你甚至可以使用 Adapter Jupyterlab 插件来阅读和修改它本身的代码!CodeLab Adapter 3.0 也将负责 Python 的环境管理,能帮你完成 JupyterLab 本身的安装之类的事情,不需要进入不友好的命令行,这对于减少入门者掉眼泪很有帮助。

此外值得一提的是,插件发布者,在插件里可以附带插件的文档信息,它可以链接到任何第三方网站里。这也是我们为了提高易用性而做的努力,并且以开放的方式来做。

插件市场

这是用户多次反馈的另一个问题,他们希望有一个统一的插件市场,可以方便下载到新的插件,就像我们在 vscode 或 sublime text 里的体验的那种插件系统,有个体面的 UI,而不是使用 curl 或者 wget 去 github 里手动下载。

作为演示我们下载了插件市场里的一个番茄工作法插件,这个插件的功能很简单(源码也是公开的): 每 25 分钟提醒编程者起来看看窗外风景。

下载完成之后,不需要重启软件,即可在 Scratch 和 Web UI 中看到新下载的插件,点击运行它:每 25 分钟,你就会收到一条信息提示你做个短途休息。

值得注意的是, Scratch 里的积木也是实时更新的,它与 Adapter 实时同步,没有中断和刷新!

为了追求连贯的编程体验,一切都是动态的!这是我们从 Smalltalk 和 Lively 那儿得到的观念:提供一个活的编程环境(Live Programming)。

利用这个特性,你可以做非常多有趣的事,这些源码,我们都开放在 Github 了,

Scratch 内积木的动态机制,主要由 @shenyu 完成。

健壮

3.0 修复了很多之前版本的稳定性问题,这些都在源码中记录了。

其中最重要的一点值得一提,CodeLab Adapter 的心脏是消息系统,其他的一切都建立在它们之上。

此次的版本我们重点对此做了加固和保护,使其不大可能崩溃,即便消息本身错误或不完整的,消息内核也不会崩溃,它会向你指出问题所在。这样一来,错误就被限制在外围插件中,而 CodeLab Adapter 的内部组件也是插件!所以理论上,它将随着时间演化,越来越坚固。

开始使用

CodeLab Adapter 3.0 的下载地址与之前相同,它是免安装的。运行之后,记得更新插件。

有任何问题,欢迎与我们联系。

写在后边

CodeLab Adapter 3.0 与 Scratch 3.0

Scratch 最初来自 Smalltalk 社区。尽管 Scratch 3.0 改由 JavaScript 实现(为了更好地支持网络社区),但其编程风格和体系设计依然保持 Smalltalk 风格, 消息(message)和对象/角色 是其一等公民,也是它的思考方式。 这也正是熟悉传统编程语言的开发者/教育者,觉得 Scratch 非常奇怪的一个原因。

以 C 或 Java 的风格理解和教学 Scratch ,会觉得使用它是一种将就, 带着疲弱感, 希望快快从中逃离,进入真正的编程世界里( Python/C/C++… ), 人们无法发挥它继承自 Smalltalk 的灵活性,这令人遗憾,但正是今天围绕编程入门教育的现状。

Scratch 全球社区有 5430.8 万用户, 还不包括国内各类 Scratch 的改编版的用户。如何赋予这个人群更强大的力量,让它们在其中理解 AI、物联网、开源硬件… 所有这些在 Scratch 创建之初,并未被考虑进来。这些东西,我们认为对于未来社会的公民至关重要,这正是今天各国教育看中 STEM 和编程教育的原因之一。如何将这些新事物与孩子们已经熟悉的工具 – Scratch 结合起来,让新的知识从已经掌握的知识中自然生长出来,而不是造成更多割裂,是 CodeLab Adapter 最初的目标之一。 当然,今天 CodeLab Adapter 已经独立于 Scratch 可以支持其他 34+ 编程语言。

由于 CodeLab Adapter 最初是为增强 Scratch 3.0 ,所以 2019.04.06 我们前往 MIT Scratch Team 与他们分享了我们在这方面的工作(我们在之前的博客里有记录此次行程)。

和 Scratch 3.0 类似,虽然在软件体系设计上,大量从 Smalltalk 汲取营养,但其实现语言,并未采用 Smalltalk, 对于 CodeLab Adapter, 实现语言是 Python 。原因是 Python 生态在今天高度成熟,允许我们以最小的代价实现它。而 Smalltalk 更偏向研究和学习,对于工程实践,生态很小,

由于两者的核心都是消息和对象,都是 Smalltalk 风格,它们背后的隐喻和思考方式是相似的,这点对于学习者的意义在于,Ta 们在不需要切换心理模型的情况下,可以扩展自身能力的范围。

在 CodeLab Adapter 3.0 中,我们将更多外部世界的能力引入 Scratch,同时我们重构了整个插件体系, 允许第三方公司像我们一样能够轻松扩展它以匹配自己的业务模型。

致敬

CodeLab Adapter 3.0 受到以下项目启发:

  • Smalltalk
  • Dynamicland
  • ZeroMQ
  • Jupyter
  • Lively
  • ROS
  • Cozmo/Vector SDK

关于系统设计方面,致敬 Alan kay,3.0 做了大量调整。所有这些变化之所以能够连贯地进行,而不至于坍塌,是因为它本质上一个消息系统,这正是 Alan Kay 一直坚持的更好”旧”事物,消息系统拥有惊人的灵活性,这类系统在演化过程中,并不是在重塑某种结构,更恰当的隐喻是,它像生物一样生长。

正是 Alan Kay 关于面向对象的异端见解, 让我们得以如此愉快地编程。

此外, 年初的 Dynamicland 之行,对我们的影响也很大 ,我们在奥克兰的一间屋子里亲眼见识了真正伟大的项目,如 Alan Kay 所说,Bret 在 Dynamicland 里延续恩格尔巴特的理想。今天如果有什么地方像 80 年代的施乐实验室一样令人惊叹和热血沸腾,Dynamicland 肯定是其一(如果不是唯一的话) – 奥克兰街角处的一间屋子,午后透窗的阳光和 Bret 本人一样安静,像一个赶工的忙碌木匠。

感谢 志愿者 @Finn 和 @实习生 David 的同行和一路讨论。

Dynamicland 对 “one world” 的坚持是奇怪的,仿佛在使用全局变量之类的东西。那其实是消息。

我们从 Dynamicland 带回了一些他们的资料,资料里提到今年年底, Dynamicland 将离开实验室, CodeLab 希望在国内第一个实践它,并将其核心系统 realtalk 接入到 CodeLab Adapter 。 在 3.0 中,我们之所以致力于提升灵活性并扩展消息结构, 是为今年年底,接入 Dynamicland 作准备。

后记

写完这篇东西,以及发布完软件新版本,如释重负。

原本计划上周发布它,拖了一周,有点抱歉,简单做个解释。

围绕这个项目,前后思考了 2 年有余,关于 messaging 的许多问题,也持续困扰了我两年多,这些问题有时让人恼火,有时让人沮丧,有时令人热血沸腾(它发生在洗澡、爬山或睡醒时),但从不让人平静。它有时造成睡眠不好,神经衰弱,尤其在每次重构的时候,对之前自己的愚蠢都感到触目惊心。

由于疫情,有大把时间读其他采用了消息的优秀项目源码。这段时间,大体上读完 Jupyter、ROS1/ROS2 client 源码、Vector SDK 源码、Pieter Hintjens 混合了吐槽和奇妙洞见的 ZeroMQ 引导、以及 Smalltalk 几位作者的早期论文,把过去积累的困惑差弄懂了许多,但造成的问题是,想不停推翻之前写的东西。

原本计划上周发布,发布前发现很多地方需要重写,一开始试图安慰自己说那些可以在以后的迭代里做,可越想越不对,有些体系设计缺陷,如果不现在处理,以后的代价会很大。原本想假装没看见,以后的烦恼留给以后,想快点发布它,好睡个好觉。但第二天一早醒来问题还在那里。上周有一天,早上 6 点多醒来,决定把几个大的模块彻底重写,因为里边有几个严重问题,包括消息 channel 的命名,而糟糕的命名又会混淆概念,让体系越来越混乱。那天在屏幕前待太久,导致这一周视力还有点问题, 希望快点恢复。

好歹它现在完成了, 接下来软件肯定还会有很多 bug,但我相信不会是结构性的问题,新的问题,可以在迭代中优化,期待你的反馈,让我们在迭代里一起改进它。

最后希望,我们的工作,为你带来乐趣 :)