CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

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1 PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO SISCUBE SISTEMA TUTOR PARA CUBO MÁGICO Autores: Bruno Cavalcanti Freitas Carlos Alberto de Alcântara Júnior Rodrigo Maciel Galvão Orientador: Prof. Dsc. Fábio Bianchi Campos 2008

2 BRUNO CAVALCANTI FREITAS CARLOS ALBERTO DE ALCÂNTARA JÚNIOR RODRIGO MACIEL GALVÃO SISCUBE SISTEMA TUTOR PARA CUBO MÁGICO Trabalho apresentado ao curso de graduação em Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Católica de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em Ciência da Computação. Orientador: Prof. Dsc. Fábio Bianchi Campos Brasília 2008

3 Trabalho de autoria de Bruno Cavalcanti Freitas, Carlos Alberto de Alcântara Júnior e Rodrigo Maciel Galvão, intitulado SISCUBE Sistema Tutor para Cubo Mágico, requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação, defendido e aprovado em 20/11/2008, pela banca examinadora constituída por: Prof. Dsc. Fábio Bianchi Campos Profª. Dra Maristela Terto de Holanda Brasília 2008

4 DEDICATÓRIA A todos que nos acompanharam, não somente neste projeto, como também em mais esta etapa de vida, tornando possível a conquista de mais um objetivo.

5 AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a DEUS, que me deu força, ânimo, coragem e condições de concluir esse projeto e pela grande quantidade de conhecimento adquirido ao longo desses quatro anos. Agradeço à minha mãe, pelas palavras de incentivo, e sempre confortantes, nas horas de dificuldades, ao meu pai, pelo apoio e empenho, me auxiliando nessa caminhada, aos meus irmãos por saberem entender minhas horas de nervosismo e falta de paciência, e à minha namorada, por suportar com paciência e extrema maturidade, meus momentos de ausência. Agradeço ao professor Fábio Bianchi Campos, que nos ajudou com paciência e entusiasmo, sempre acreditando e confiando no nosso trabalho, a finalizar esse projeto com sucesso e por nos ter passado tamanha quantidade de conhecimento. Finalmente, mas não menos importante, agradeço aos meus companheiros e amigos Carlos e Rodrigo, por termos passado esses dois semestres trabalhando nesse projeto, enfrentando dificuldades e adversidades de forma madura e consciente, sempre nos lembramos que acima de tudo, somos amigos... Bruno Cavalcanti Freitas

6 Agradeço ao Orientador Prof. Bianchi pelo incentivo, simpatia e presteza no auxílio às atividades e discussões sobre o andamento deste projeto final. Aos colegas de projeto Bruno e Rodrigo pelo comprometimento e dedicação. Aos colegas de classe pela espontaneidade e alegria na troca de informações e materiais numa rara demonstração de amizade e solidariedade. A minha família pela paciência em tolerar a ausência e por todo o auxílio por ela me dado. E, finalmente, a Deus pela oportunidade e pelo privilégio que me foi dado em compartilhar tamanha experiência de aprendizado. Carlos Alberto de Alcântara Júnior

7 Agradeço a todo corpo docente do curso de Ciência da Computação da Universidade Católica de Brasília pelo conhecimento transmitido ao longo destes quatro anos e em especial ao Prof. Dr. Fábio Bianchi Campos por ter-nos direcionado na aplicação deste conhecimento e nos incentivado a saber mais e a fazer o nosso melhor. Agradeço a todos que conheci durante esta jornada e em especial aos amigos Bruno e Carlos, por acreditarem em mim e no nosso projeto. Agradeço aos meus amigos, aos meus irmãos consangüíneos e carinhosamente à minha namorada pelo apoio e principalmente pelos momentos de união, alegria e confraternização que foram essenciais para que eu tivesse força para prosseguir. Agradeço, acima de tudo, aos meus pais, pelo amor, carinho, compreensão, educação, enfim, por tudo que me deram e ainda me proporcionam. E é claro, a Deus, por todas as oportunidades a mim dadas. Muito obrigado! Rodrigo Maciel Galvão

8 EPÍGRAFE Dar menos que o seu melhor é sacrificar o dom que recebeu. Steve Prefontaine

9 RESUMO Este projeto apresenta o produto em desenvolvimento do trabalho de conclusão do curso de Ciência da Computação da UCB, que consiste na criação de um sistema tutor cuja finalidade é transmitir ao usuário a competência para resolver o cubo mágico. Inicialmente, na disciplina de Inteligência Artificial, foi desenvolvido um aplicativo capaz de resolver o cubo mágico a partir de qualquer configuração. Posteriormente, devido ao interesse das pessoas em aprender sobre sua resolução, incorporou-se a idéia de integrar um tutorial interativo ao sistema já existente. Basicamente, o tutorial funciona da seguinte maneira: o usuário seleciona a etapa que deseja aprender e o sistema retorna o cubo configurado conforme a opção escolhida. A partir daí, usuário e sistema interagem até que o aprendizado da etapa seja concluído. Este processo envolve algoritmos consideravelmente complexos, haja visto o número de possibilidades mapeadas, a análise para a decisão dos movimentos a serem realizados e as explicações correspondentes a serem apresentadas. Palavras-chave: Cubo Mágico. Sistema Tutor.

10 ABSTRACT This project presents the product from the conclusion project of the of Computer Science graduation at the UCB, which is the creation of a mentor system whose purpose is to teach it s user to solve the Rubik s Cube. Initially, at the discipline of Artificial Intelligence, an application able to solve the Rubik s Cube from any configuration was developed. Later, due to the interest of the people to learn about it solution, the idea of integrating an interactive tutorial to the existing system was incorporated. Basically, the tutorial works like: The user selects the stage which is willing to learn and the system returns the cube configured as the preferred option. From there, users and system interact until the learning stage is completed. This process involves considerably complex algorithms, concerning the number of possibilities for mapping, analyzing the decision of the rotation of the cube to be made and the corresponding explanations. Keywords: Rubik s cube. Tutorial.

11 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1.1 Projeto de Inteligência Artificial em duas dimensões Figura 4.1 Tipo de Cubo Mágico Figura 4.2 Centros Figura 4.3 Cantos Figura 4.4 Meios Figura 4.5 Estrutura interna do cubo mágico Figura 4.6 Localização e orientação dos cantos Figura 4.7 Localização e orientação dos meios Figura 4.8 Localização e orientação dos centros Figura 4.9 Aplicativo Rubik s Cube Figura 4.10 Matriz tridimensional Figura 4.11 Rótulos de cada posição da matriz Figura 4.12 Resultado da execução do movimento R Figura 5.1 Representação do ciclo de vida do PU Figura 5.2 Logomarca Java Figura 7.1 Modelo de Domínio Figura 7.2 Diagrama de Casos de Uso Figura 7.3 Modelo de Arquitetura... 54

12 LISTA DE TELAS DO SISTEMA Tela 1 Efetuar Login Tela 2 Tela Principal do Applet, acessada nos casos de uso AcessarTutorial3D, TreinarCuboVirtual e JogarCuboVirtual Tela 3 Tela de Níveis e Etapas, acessada nos casos de uso AcessarTutorial3D e TreinarCuboVirtual Tela 4 Acessar Tutorial 3D Tela 5 Treinar Cubo Virtual Tela 6 Jogar Cubo Virtual Tela 7 Cadastrar Usuário Tela 8 Editar Cadastro Tela 9 Enviar Mensagem Pessoal... 88

13 LISTA DE TABELAS Tabela 5.1 Marcos e Pontos de Controle Tabela 5.2 Riscos Tabela 5.3 Impactos Tabela 5.4 Documentos do Projeto Tabela 5.5 Recursos Humanos Tabela 5.6 Recursos de Hardware Tabela 5.7 Recursos de Software Tabela 5.8 Cronograma Tabela 5.9 Glossário... 48

14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Motivação Breve Histórico Problemas Diagnosticados Usuários do Sistema OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico PROPOSTA DO SISTEMA Descrição do Sistema Proposto Resultados Esperados Restrições do Sistema Proposto Recursos Necessários para Execução Descrição do Hardware Ideal Descrição do Hardware Mínimo Descrição do Software Configuração da Rede Fontes dos Softwares Necessários Áreas Afetadas pelo Novo Sistema CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA PROPOSTO Cubo mágico Histórico e Informações Cenário do Speedcubing Cubos Mágicos mais conhecidos Estrutura Física do Cubo Mágico O Cubo Virtual Interface entre Inteligência e Visão Matriz, a parte Inteligente do Cubo Representação Execução de Movimentos PLANEJAMENTO DO PROJETO Plano do Processo de Desenvolvimento Ciclo de Vida do Projeto Métodos de Desenvolvimento e Ferramentas CASE Linguagens de Programação Ambiente de Hardware para Desenvolvimento Plano de Organização Equipe de Gerência Equipe de Desenvolvimento... 39

15 5.3 Plano de Acompanhamento Marcos e Pontos de Controle Métodos de Acompanhamento e Controle Análise e Gerência de Riscos Plano de Documentação Documentos do Projeto Plano de Recursos e Produtos Recursos Humanos Recursos de Hardware Recursos de Software Cronograma Glossário ESPECIFICAÇÃO DOS REQUISITOS DO SISTEMA Descrição do Problema Identificação dos Interessados Descrição das necessidades dos interessados Descrição das características do sistema Requisitos do software Restrições DIAGRAMAS UML Modelo de Domínio Visão Geral dos Casos de Uso e Atores Modelo de Arquitetura Diagrama de Implantação DIFICULDES ENCONTRADAS CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA ANEXOS Anexo I Especificação dos Casos de Uso Efetuar Login Acessar Tutorial 3D Treinar Cubo Virtual Jogar Cubo Virtual Cadastrar Usuário Editar Cadastro Pesquisar Usuário Enviar Mensagem Pessoal Entrar Contato Administradores Anexo II Realização dos Casos de Uso Críticos... 90

16 Acessar Tutorial 3D Diagrama de Classes de Análise Diagrama de Seqüência do Sistema Diagrama de Seqüência Treinar Cubo Virtual Diagrama de Classes de Análise Diagrama de Seqüência do Sistema Diagrama de Seqüência Jogar Cubo Virtual Diagrama de Classes de Análise Diagrama de Seqüência do Sistema Diagrama de Seqüência Anexo III - Notação dos Movimentos Anexo IV - Apostila Nível Básico Anexo V - Apostila Nível Intermediário

17 17 1 INTRODUÇÃO 1.1 Motivação Com o decorrer dos últimos meses, o nosso interesse fez com o que o cubo mágico se tornasse parte do nosso cotidiano e inúmeras vezes nos encontramos com pessoas que também se interessam em aprender e brincar com o cubo mágico. Todavia, devido à complexidade em resolvê-lo e ao fato de não existirem fontes tão didáticas e dinâmicas de aprendizado, muitos aprendizes acabam desistindo do desafio de concluir os passos necessários para sua resolução. Devido a estes problemas, o projeto propõe um tutorial dinâmico, onde o usuário poderá interagir com um cubo mágico virtual 1 representado em três dimensões, manipulando-o da forma que quiser e recebendo dicas e orientações do sistema quanto às etapas de resolução 2. Acreditamos que com essa ferramenta de aprendizado, mais pessoas se interessarão em conhecer um pouco mais sobre este quebra-cabeça sensacional e sobre os benefícios mentais que ele proporciona. 1.2 Breve Histórico O passatempo de resolver o cubo mágico já é praticado pelos integrantes do grupo há algum tempo, e durante a disciplina de Inteligência Artificial (IA), na Universidade Católica de Brasília surgiu a seguinte idéia: fazer com que o computador resolvesse o cubo mágico a partir de qualquer configuração. Para atingir o objetivo final deste projeto de disciplina uma primeira versão cujo foco era criar uma estrutura que possibilitasse a resolução e tradução do algoritmo básico de resolução 3 foi desenvolvida. Esta estrutura tinha que resolver dois problemas: representar o cubo em memória e permitir a execução dos movimentos. Depois de criada a estrutura, foi obtido um programa que resolvia o cubo mágico a partir de qualquer configuração e realizava movimentos feitos pelo usuário, com uma interface em duas dimensões, conforme a figura a seguir: 1 Representação do cubo mágico em um computador. Normalmente, será referenciado apenas como cubo virtual. 2 O método de resolução abordado no projeto é o método de resolução por camadas, que consiste na resolução de uma camada do cubo mágico por vez. A melhor forma de aprendêlo é dividindo o processo de aprendizado em partes, denominadas etapas de resolução. Mais detalhes podem ser vistos no Anexo III Apostila Básica. 3 É o algoritmo que apresenta os passos mais simples e compreensíveis para resolução do cubo mágico. Em contrapartida, normalmente são executados mais movimentos.

18 18 Figura 1.1 Projeto de Inteligência Artificial em duas dimensões Finalizada a primeira etapa, foi verificado que era difícil ver e compreender o que acontecia. Com isso, foi decidido migrar a interface existente para uma que fornecesse ao usuário maior interação e compreensão. Para desenvolvê-la, foi iniciada uma pesquisa para descobrir como criar interfaces em três dimensões. Numa dessas pesquisas, foi descoberto o aplicativo Rubik's Cube. O aplicativo Rubik's Cube foi desenvolvido pelo suíço Werner Randelshofer e se caracteriza como software livre, pois segue a filosofia GNU ou GPL (General Public License). Com isso, seu código estava disponível e as alterações necessárias puderam ser feitas. Em contrapartida, o SISCUBE deve obedecer às regras da licença, se caracterizando também como software livre. Internamente, o aplicativo de Werner possui métodos que possibilitam a realização de movimentos no cubo virtual. Com isso, restava ao grupo descobrir como mandar movimentos ao Rubik s Cube a partir do projeto inicial que resolvia o cubo mágico. Depois de finalizada a parte de integração entre inteligência (solução do grupo) e interface (aplicativo 3D), a proposta para o projeto da disciplina de IA estava concluída.

19 Problemas Diagnosticados Conforme dito no tópico 1.2, o aplicativo obtido na disciplina de IA era constituído por duas partes: a inteligência e a interface em três dimensões, que se integravam muito bem e possibilitavam a percepção real dos movimentos que eram executados no cubo virtual. No entanto, apesar de possuir uma boa representação visual, a aplicação não permitia que o usuário aprendesse, efetivamente, a resolver o cubo mágico, pois seus movimentos eram executados de forma seqüencial, sem intervalos e sem explicações. Não havia divisão do processo de resolução em partes, dificultando o entendimento de um leigo do que era feito e do por que era feito. Resumindo, a aplicação apenas possibilitava que um usuário realizasse movimentos em um cubo virtual e visse que ele está sendo resolvido pelo sistema. 1.4 Usuários do Sistema Usuários representam as diferentes pessoas que usam o sistema ou produto. Definindo mais formalmente, são aqueles que se comunicam com o sistema e a ele são externos (PRESSMAN, 2006). No SISCUBE, os usuários do sistema são aqueles que possuem acesso à Internet e ao entrarem no sítio do projeto exploram pelo menos uma de suas funcionalidades. Dividem-se em usuários identificados e não identificados e administradores. Os usuários identificados são aqueles que se cadastraram no sistema e que através do nome de usuário e senha, definidos durante o cadastro, usufruem de todas as funcionalidades disponíveis no sítio do projeto. Já os usuários não identificados são aqueles que ainda não se cadastraram ou não se identificaram no sítio do projeto. Em conseqüência, não usufruem de muitas funcionalidades disponíveis. Por sua vez, os administradores são aqueles que podem, além de executar todas as funcionalidades de um usuário identificado, gerenciar o sistema (usuários, agenda de notícias, etc.).

20 20 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Este projeto tem como objetivo principal transmitir ao usuário a competência para resolver o cubo mágico, dando a possibilidade do mesmo praticar os conhecimentos recém adquiridos, para que sejam fixados à mente de forma mais eficiente. 2.2 Objetivo Específico Para atingir o objetivo geral de maneira eficiente, uma série de objetivos específicos deve ser alcançada: Desenvolver um tutorial dinâmico e interativo sobre a resolução do cubo mágico, que proporcione facilidades para o entendimento do usuário, como por exemplo: o Fazer com que uma peça seja visualmente destacada quando pertinente. o Ajustar os movimentos do cubo para que sejam mais bem compreendidos por um iniciante. o Adicionar explicações por escrito aos passos executados pelo cubo virtual. Desenvolver um site para disponibilizar mais facilmente aos usuários o acesso às funcionalidades da aplicação. Permitir no site que os usuários interajam entre si para trocar idéias, tirar dúvidas, etc. Permitir ao usuário treinar no cubo virtual os conhecimentos adquiridos. Oferecer funcionalidades adicionais como cronometragem para que o usuário acompanhe seu progresso.

21 21 3 PROPOSTA DO SISTEMA 3.1 Descrição do Sistema Proposto O SISCUBE Sistema Tutor para Cubo Mágico é um sistema que visa ensinar passo a passo, de forma interativa e didática como funciona o Método de Resolução por Camadas do cubo mágico. Sua característica interativa é justificada por dois fatores: a forma bidirecional com que a comunicação entre o sistema e seus usuários ocorre e a disposição de informações de forma não seqüencial, que permite que os usuários estabeleçam o caminho a ser trilhado, navegando em etapas de diferentes níveis 4. Já a característica didática se justifica no próprio significado da palavra: arte ou técnica de ensinar; elemento transformador da teoria na prática. Didaticamente, o sistema buscará traduzir fielmente os conhecimentos do especialista no Método de Resolução por Camadas. Seguindo-se estes princípios, o usuário irá se deparar com diferentes casos de resolução, que serão claramente explicados pelo sistema. Em relação ao projeto desenvolvido na disciplina de IA Inteligência Artificial são notáveis os aspectos diferenciadores. Enquanto que no projeto inicial o cubo mágico simplesmente se resolvia a partir de qualquer estado, no novo sistema será possível aprender e compreender a resolução do cubo e de cada movimento executado. O usuário poderá também praticar os ensinamentos adquiridos a partir da etapa que desejar e medir a melhoria de seu desempenho através da marcação de tempos. 3.2 Resultados Esperados Os jogos de raciocínio lógico estão cada vez mais presentes na vida das pessoas e o motivo é simples: além de diverti-las, são úteis no desenvolvimento de suas habilidades mentais. Ao observar o cubo mágico em seu estado embaralhado e sabendo qual o objetivo de cada etapa, a visão do todo é obtida. E mais, ao observar a disposição das cores, inicia-se o desenvolvimento do raciocínio lógico, pois é necessário pensar 4 São os níveis de aprendizado disponíveis no sistema. Dividem-se em Iniciante e Intermediário e variam de acordo com o grau de complexidade dos algoritmos utilizados na resolução do cubo virtual.

22 22 em como colocar uma peça em determinado lugar, sem que com isso outras peças já arrumadas sejam bagunçadas. Com isso, o jogador estabelece metas e à medida que o jogo se desenvolve ele procura atingi-las. A partir daí da visão do todo, do objetivo final e metas são desenvolvidas ou melhoradas: a perspicácia, a paciência, a determinação, a competência, o planejamento e desenvolvimento de estratégias, a concentração e o foco, a visão espacial, a análise sistemática e matemática e a lógica de raciocínio. Os benefícios que o cubo mágico e outros jogos de lógica, como sudoku e xadrez trazem para o ser humano são: estímulo da atividade mental, melhoria da memória e da clareza mental e a manutenção do cérebro mais jovem, dentre outros. Através dos benefícios e do desenvolvimento ou melhoria das capacidades citados, jovens e crianças podem ter seu desempenho escolar melhorados. No entanto, os benefícios atingem também idades mais avançadas, ajudando, por exemplo, na prevenção de doenças mentais como o Mal de Alzheimer. Estudos comprovam que a prática deste tipo de jogo ativa os lóbulos frontais do cérebro, responsáveis pela capacidade de processamento, em particular a memória. O jogo pode ainda funcionar como terapia, uma vez que o estresse e energia acumulados ao longo do dia podem ser nele descarregados. Jogar com brinquedos ou jogos de raciocínio é ideal para estimular o pensamento criativo, bem como para melhorar o coeficiente intelectual e emocional, levando às pessoas uma vida melhor e mais saudável. 3.3 Restrições do Sistema Proposto Duas restrições foram identificadas no projeto: a dimensão do cubo e o método de resolução abordados. A primeira é caracterizada pelo foco ao cubo mágico de dimensão 3x3x3. Já a segunda, pela implementação de um único método de resolução: o Método de Resolução por Camadas. Apesar de fazerem parte do escopo do projeto, as demais dimensões e métodos de resolução não serão implementados no sistema. Detalhes sobre o assunto são abordados no capítulo 4.

23 Recursos Necessários para Execução Descrição do Hardware Ideal Processador: Pentium D 1.66 GHz Memória RAM: 1GB Descrição do Hardware Mínimo Processador: Pentium GHz Memória RAM: 512MB Descrição do Software Sistema Operacional: qualquer um que suporte a Máquina Virtual Java, como Linux, Windows e MacOS. Máquina Virtual Java 5.0 ou superior. Browser: Internet Explorer 6 ou superior, Mozilla Firefox 2.0 ou superior Configuração da Rede Placa de Rede Ethernet 10/100 ou superior. Acesso à Internet Fontes dos Softwares Necessários Máquina Virtual Java: Internet Explorer: Mozilla Firefox: Áreas Afetadas pelo Novo Sistema Como visto no tópico 3.2, o cubo mágico traz diversos benefícios mentais para quem o pratica. A conclusão desse projeto afetará todas as pessoas que têm interesse em resolver o cubo mágico, seja por curiosidade, por querer exercitar a mente ou mesmo por tentar concluir um desafio de infância. O projeto poderá ser utilizado como atividade extracurricular nos colégios, auxiliando no desenvolvimento

24 24 da capacidade das crianças e adolescentes e servindo também como evidenciação de alunos com potencial diferenciado. Além disso, o projeto afetará na área do Speedcubing 5, pois ajudará a trazer novos atletas. A popularização do esporte fará com que os atletas tenham mais condições de competir e realizar competições, visto que terão mais chances de conseguir patrocínios para ajudar em viagens e acessórios. 5 Esporte em que os praticantes procuram resolver o cubo mágico no menor tempo possível. Mais detalhes serão vistos no capítulo 4.

25 25 4 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA PROPOSTO 4.1 Cubo mágico Histórico e Informações O cubo de Rubik (ou também chamado o cubo mágico) é um quebra-cabeça tridimensional, inventado pelo húngaro, Ernő Rubik em 1974 para ilustrar o conceito de simetria (precursor da Teoria de Grupos da matemática): Erno Rubik inspirou-se em quebra-cabeças já conhecidos para a criação do cubo mágico, como o Tangram. No início, a idéia de criar um mecanismo para sustentar os cubos parecia impossível, devido à grande quantidade de movimentos existentes, mas Rubik acabou encontrando a solução enquanto observava o curso do Rio Danubio. O primeiro cubo montado por Rubik foi feito em madeira e tinha os seis lados pintados com cores distintas, para que quando suas faces fossem giradas, uma melhor visualização dos movimentos realizados fosse obtida. Em 1978 o cubo começava a ser produzido sem incentivos. Mesmo sendo inicialmente rejeitado, um ano depois, atingira uma publicidade tal que se podia ver pessoas entretidas com seus cubos nos trens, restaurantes, etc. Originalmente foi chamado "o cubo mágico" pelo seu inventor, mas o nome foi alterado pela Ideal Toys para cubo de Rubik em Neste mesmo ano, ganhou o prêmio alemão do "Jogo do Ano" (Spiel des Jahres). [WIKIPÉDIA] Em 1985 os direitos autorais sobre o cubo foram comprados por Seven Towns, que o relançou no mercado, obtendo muito sucesso. Atualmente Erno Rubik e Seven Towns trabalham próximos. Rubik está engajado a descobrir novos quebracabeças e continua sendo o principal beneficiado com sua invenção. O cubo de Rubik é um cubo geralmente fabricado em plástico e possui várias versões, sendo a versão 3x3x3 a mais comum, composta por seis faces de seis cores diferentes com um total de 54 peças, com arestas de aproximadamente 5,5 cm. Outras versões menos conhecidas são a 2x2x2, e de 4x4x4 a 7x7x7. É considerado um dos brinquedos mais populares do mundo, atingindo um total de 300 milhões de unidades vendidas, bem como suas diferentes imitações. O desejo de ver as seis faces do cubo organizadas atingia todas as idades e profissões. Foram lançados mais de 60 livros para ajudar tais pessoas. Nenhum outro quebra-cabeça teve tantos adeptos, o que o torna um brinquedo genial.

26 26 O número de combinações possíveis que pode ser obtida com o cubo mágico é de (43 quintilhões), o que demonstra como um simples brinquedo colorido pode ser tão complexo de ser resolvido. 4.2 Cenário do Speedcubing Quando lançado na década de 80, o cubo mágico era considerado um desafio praticamente impossível de ser concluído. Tinha-se a impressão de que apenas as mentes mais brilhantes conseguiriam desvendar o grande mistério que frustrou milhares de pessoas durante décadas. De lá para cá, com ajuda da internet, as pessoas puderam trocar conhecimentos adquiridos individualmente, que depois de combinados, discutidos e estudados, formaram as primeiras técnicas de resolução do brinquedo. Com o passar do tempo, mais pessoas se interessaram em aprender esses métodos e aos poucos as técnicas foram melhoradas, bem como novas foram desenvolvidas. Hoje em dia é considerado esporte, com várias modalidades: resolver com as duas mãos, com apenas uma, vendado e até mesmo com os pés. Ganha quem deixa apenas uma cor em cada lado do cubo em menos tempo. Aos poucos o cenário do speedcubing (como é conhecido) vem ganhando espaço na mídia e despertando interesse de patrocinadores. O vencedor do campeonato mundial de 2007, disputado na Hungria, levou para casa o prêmio de cinco mil euros. No Brasil, esse movimento está começando e vem mostrando um grande potencial de evolução. Já foram realizadas duas competições oficiais e há previsão de outras para um futuro próximo. Na televisão brasileira, algumas reportagens sobre o cubo, seus praticantes e competições têm sido exibidas. Já existem diversos sites em português contendo tutoriais, dicas e outras utilidades acerca do tema. E tudo isso tende a crescer exponencialmente. 4.3 Cubos Mágicos mais conhecidos Este projeto faz abordagem apenas do cubo mágico convencional, que possui dimensões 3x3x3. Além dele, existem dezenas de outros quebra-cabeças

27 27 tridimensionais, tanto em formato de cubo como de diversos outros. Os mais populares são os seguintes: a) 3x3x3 convencional b) 2x2x2 c) 4x4x4 d) 5x5x5 e) Megaminx f) Pyraminx g) Square-1 h) Rubik s Magic i) Rubik s Master Magic j) Rubik s Clock Figura 4.1 Tipo de Cubo Mágico 4.4 Estrutura Física do Cubo Mágico Algumas pessoas passam a entender melhor o funcionamento do cubo quando o desmontam e vêem sua estrutura interna, o que faz quebrar a idéia que muitos têm de que cada cor se movimenta sozinha, e não três a três como no caso dos cantos, e duas a duas no caso dos meios. Isso quer dizer que você tem que fazer cada cor ao redor do respectivo centro. O cubo mágico possui uma estrutura interna que permite girar qualquer uma das faces infinitas vezes em qualquer sentido, pois as peças não são presas por elásticos ou similares.

28 28 Figura 4.2 Centros Figura 4.3 Cantos Figura 4.4 Meios Fonte: Na figura 4.2, as peças coloridas são chamadas de Centros, são seis e são peças que não se movem entre si, o que se deve ao fato de serem fixas por parafusos ao núcleo, que é uma peça de borracha em forma de estrela de seis pontas. A figura 4.3 representa as quinas do cubo, peças comumente chamadas de Cantos e que possuem três cores cada. Estas peças são oito, logo podem ocupar oito posições diferentes e podem estar giradas de três formas em relação a seu próprio eixo. Por fim, na figura 4.4 as arestas que estão coloridas são chamadas de Meios e cada uma possui duas cores diferentes. Estas peças são doze, logo podem ocupar doze posições diferentes e pode estar giradas de duas formas em relação a seu próprio eixo. Os cantos não podem ocupar o lugar dos meios e vice-versa. Figura 4.5 Estrutura interna do cubo mágico Fonte:

29 29 Como pode ser observado na figura 4.5, as peças possuem encaixes nas pontas que servem tanto para segurá-las juntas ao cubo, quanto para formar uma esfera interna que permite o livre giro das camadas. 4.5 O Cubo Virtual Estudando com maior profundidade o aplicativo Rubik s Cube, apresentado no tópico 1.2, alguns pontos importantes foram observados. Segundo Christoph [BANDELOW, Christoph. Einfuehrung in die Cubologie, Vieweg, 1981 apud RANDELSHOFER, Werner]: Localização e orientação dos cantos: inicialmente, cada canto do cubo possui um identificador n, que está presente na matriz cantolocalizacao[n], onde n varia de 0 à 7, representando as 8 peças de cantos existentes no cubo mágico. Quanto à orientação dos cantos, o identificador n está presente na matriz cantoorientacao[n], onde n varia entre os valores 0 (orientação inicial), 1 (canto girado no sentido anti-horário) e 2 (canto girado no sentido horário). A figura 4.6 representa a ilustração gráfica desta parte do modelo. Nos números em ponto flutuante, o valor antes do ponto indica a localização dos cantos (os valores da matriz) cantolocalizacao[n] e os valor depois do ponto indicam a orientação deles ( cantoorientacao[n] ) Figura 4.6 Localização e orientação dos cantos Localização e orientação dos meios: inicialmente, cada meio do cubo possui um identificador n, que está presente na matriz meiolocalizacao[n], onde o valor de n varia de 0 à 11, representando as 12 peças de meios existentes no cubo mágico. Quanto a orientação dos meios, o identificador n está presente na matriz meioorientacao[n], onde n varia entre os valores 0 (orientação inicial) e 1 (meio

30 30 movido). A figura 4.7 representa a ilustração gráfica desta parte do modelo. Nos números em ponto flutuante, o valor antes do ponto indica a localização dos meios (os valores da matriz) meiolocalizacao[n] e os valor depois do ponto indica a orientação deles ( meioorientacao[n] ) Figura 4.7 Localização e orientação dos meios Localização e orientação dos centros: inicialmente, cada centro do cubo possui um identificador n e está presente em uma matriz centrolocalizacao[n], onde os valores de n variam de 0 à 5, representando os 6 centros existentes no cubo mágico e cada centro é usado como referência para a determinação de uma face. Quanto a orientação dos centros, o identificador n está presente em uma matriz centroorientacao[n], onde n varia entre os valores 0 (orientação inicial), 1 (face representada pelo centro movida para a esquerda), 2 (face representada pelo centro movimentada 180 ) e 3 (face representada pelo centro movimentada para a direita). A figura 4.8 representa a ilustração gráfica desta parte do modelo. Nos números em ponto flutuante, o valor antes do ponto indica a localização dos centros (os valores da matriz) centrolocalizacao[n] e os valores depois do ponto indicam a orientação deles ( centroorientacao[n] ) Figura 4.8 Localização e orientação dos centros

31 31 As três propriedades do modelo citadas acima descrevem as configurações básicas sobre posicionamento das peças em relação a si mesmas e em relação às demais. Foi fundamental entendê-las para dar prosseguimento ao projeto. Resumindo o modelo, é possível dizer que ele se caracteriza por atribuir um valor a cada peça do cubo virtual e por considerar o posicionamento de cada peça em relação à posição inicial ocupada por elas. A partir desse modelo, são criadas outras três estruturas necessárias para a realização dos movimentos em um cubo, explicadas a seguir: - Indicação do eixo (X, Y, Z) em que o movimento será realizado. Por se tratar de um cubo mágico, as três dimensões devem ser consideradas, mesmo com o código baseado em bibliotecas para desenhos em duas dimensões. Desse modo, cada eixo possibilita a movimentação de três camadas do cubo, quem têm seu centro transpassado pelo eixo em questão. Para exemplificar, considere a Figura 4.18 e também que a face frontal é a face na cor azul, a superior na cor amarela e a direita na cor vermelha. Quando for necessária a realização de um movimento 6 na face azul (F ou F'), esse movimento deve ser sobre o eixo Z, na face amarela (U ou U') o movimento deve ser no eixo Y e na face vermelha (R ou R') o movimento deve ser no eixo X. Figura 4.9 Aplicativo Rubik s Cube - Possibilidade de escolher qual combinação de camadas em relação a um eixo deve ser movimentada. Por exemplo, considerando a Figura 4.9 e tendo como 6 Para melhor entendimento dos movimentos, vide Anexo III Notação dos Movimentos.

32 32 referência a face azul, podemos fazer desde um simples movimento F (que utiliza apenas uma camada), até um movimento Z (que utiliza todas as camas paralelas à face azul). - Possibilidade de escolher o sentido do movimento entre horário e antihorário. A partir das informações citadas acima, todas as operações com o cubo virtual são implementadas e disponibilizadas ao usuário em uma tela, construída sobre um componente JAVA, com o nome de Canvas, que faz parte do pacote 'java.awt'. Esse componente possibilita a construção de uma área na tela em que é possível a inserção e a renderização do cubo virtual, além das ações disponibilizadas ao usuário. 4.6 Interface entre Inteligência e Visão A integração da parte inteligente do Sistema Tutor com o cubo virtual (parte de interface) acontece de forma bem simples, sendo necessário conhecer as combinações de parâmetros necessárias para a realização dos movimentos. O método chamado para a efetivação do movimento no cubo virtual tem a seguinte assinatura: public void transform(int axis, int layermask, int angle). Os parâmetros têm o seguinte significado: axis: indica sobre qual eixo o movimento será executado (X, Y ou Z). Pode receber os valores 0(eixo X), 1(eixo Y) e 2(eixo Z). layermask: indica qual a combinação de camadas será movimentada. Recebe valores entre 1 e 7. angle: indica o sentido e a quantidade de movimentos. Pode receber os valores 1 (volta de 90 no sentido horário), -1(volta de 90 no sentido antihorário), 2(volta de 180 no sentido horário) e -2(volta de 180 no antisentido horário). Através do conhecimento desta estrutura, foi possível a realização de diversos movimentos no cubo virtual. A classe que contém esse método é criada no momento da criação da Classe de interface com o jogador, viabilizando seu acesso.

33 Matriz, a parte Inteligente do Cubo O cubo mágico utilizado no projeto possui dimensão 3x3x3 e é composto por seis cores diferentes: azul, vermelho, verde, laranja, amarelo e branco que representam as faces do cubo. As faces, por sua vez, são compostas por nove quadrados, que somados dão um total de 54. A fim de tornar possível a representação de todas as peças do cubo foi implementada uma matriz tridimensional. Sua primeira posição representa as faces, variando de zero a cinco. As outras duas posições representam a localização do quadrado na face, que é mais facilmente entendida quando feita uma analogia a um plano cartesiano com pontos (x,y), onde x seria a linha em que o quadrado se encontra e y a coluna. Com essa matriz foi possível representar os 54 quadrados do Cubo Mágico Representação A fim de se obter uma melhor visibilidade do que acontece com a matriz, foi desenvolvida uma interface de duas dimensões que respeita os modelos abaixo: Figura 4.10 Matriz tridimensional Figura 4.11 Rótulos de cada posição da matriz

34 Execução de Movimentos Independente da origem (usuário ou sistema), cada movimento é enviado à matriz para que ela seja alterada. Supondo que o cubo esteja no estado resolvido, conforme pode ser observado na Figura 4.11 e que o movimento R, representado no Anexo Notação dos Movimentos seja executado, as seguintes permutações ocorrem entre os elementos da matriz: [0][0][2] [5][0][2]; [0][1][2] [5][1][2]; [0][2][2] [5][2][2]; [2][2][0] [4][0][2]; [2][1][0] [4][1][2]; [2][0][0] [4][2][2]; [5][0][2] [2][2][0]; [5][1][2] [2][1][0]; [5][2][2] [2][0][0]; [4][0][2] [0][0][2]; [4][1][2] [0][1][2]; [4][2][2] [0][2][2]; Resultado visual da matriz após o movimento: Figura 4.12 Resultado da execução do movimento R Com isso, sempre que o usuário exigir que o cubo seja resolvido, o Sistema verificará a matriz e de acordo com os algoritmos de resolução do cubo ordenará seus elementos.

35 35 5 PLANEJAMENTO DO PROJETO 5.1 Plano do Processo de Desenvolvimento Ciclo de Vida do Projeto O conjunto de fases do projeto é chamado de ciclo de vida do projeto. Os modelos que o descrevem surgiram devido à necessidade de estruturar o desenvolvimento do software e fornecer um roteiro razoavelmente efetivo para que as equipes desenvolvedoras atinjam seus objetivos (PRESSMAN, 2006, adaptado). Para o desenvolvimento de um software, existem modelos já estudados e definidos, como por exemplo: o cascata, os incrementais (Incremental e RAD), os evolucionários (Prototipagem, Espiral e de Desenvolvimento Concorrente) e o processo unificado. No entanto, cada um deve ser adaptado para que seja usado efetivamente em um projeto de software específico. Para o desenvolvimento do SISCUBE foi adotado o ciclo de vida descrito no modelo do Processo Unificado, com algumas adaptações. A seguir, seguem os motivos que levaram o grupo a utilizar este ciclo de vida: Utiliza a UML Unified Modeling Language no preparo dos artefatos do sistema; Orienta-se por casos de uso, o que permite que o processo de desenvolvimento siga um fluxo (análise, projeto, implementação e teste) derivado da descrição dos casos de uso; Tem a arquitetura como elemento central, o que facilita na construção do projeto, pois a partir dela se obtém a estrutura que guia cada iteração. É iterativo e incremental, o que permite a evolução do projeto com o decorrer do tempo. Assim como ocorre no ciclo de vida do PU, o projeto passará pelas seguintes fases: Concepção: fase em que será dada ênfase à comunicação e ao planejamento. A comunicação ocorrerá entre os membros do grupo e entre o grupo e o orientador, com o objetivo de definir as necessidades daqueles que usarão o sistema e conseqüentemente suas características. Tratando-se de planejamento, serão desenvolvidos o documento visão e a especificação dos principais casos de uso, considerados os mais

36 36 críticos, Acessar Tutorial 3D, Treinar Cubo Virtual e Jogar Cubo Virtual. Detalhes sobre os casos de uso podem ser consultados no Anexo I Especificação dos Casos de Uso. Elaboração: será subdividida em duas subfases: (1) análise, em que será dada continuidade à comunicação, todavia com o objetivo diferente: refinar as necessidades e características levantadas na fase de concepção. Nela serão desenvolvidos os demais casos de uso. (2) Projeto, cujo objetivo será modelar os casos de uso críticos com foco na criação de modelos de análise e projeto com ênfase nas definições de classes e representações arquiteturais. Construção: serão refinados e então traduzidos o modelo de projeto para componentes de software. Transição: fase em que o sistema será testado e posteriormente colocado no site ( Produção: fase que terá como objetivo oferecer o monitoramento e suporte contínuo ao sistema. A seguir, na figura 5.1, pode ser observado a relação disciplina x fase ocorrente em muitos projetos que utilizam o ciclo de vida descrito no modelo do Processo Unificado: Figura 5.1 Representação do ciclo de vida do PU Métodos de Desenvolvimento e Ferramentas CASE Para o desenvolvimento do projeto foi utilizada a técnica de Descrição do Documento Visão, técnica de Descrição de Caso de Uso e a Técnica do Larman de

37 37 Análise e Projeto Orientado a Objetos, com utilização de Design Patterns - DTO, DAO e Factory. As páginas WEB do projeto foram criadas seguindo o padrão XHTML de desenvolvimento. O código do projeto é baseado no padrão de arquitetura MVC (Model-viewcontroller), o que permite a fácil manutenção do código, uma vez que a manipulação de dados não é afetada com a alteração do layout e vice-versa. Neste modelo para o projeto são utilizadas seis camadas: visão, action, model, DAO, DTO e ch, que são explicadas no capítulo 7. Ferramentas CASE (Computer-Aided Software Engineering) são as ferramentas baseadas em computadores que auxiliam na engenharia de software, desde análise de requisitos e modelagem até programação e testes. As utilizadas no projeto foram: Jude Community software Jude para desenvolvimento UML. Utilizado na elaboração do modelo de domínio, diagrama de casos de uso e realização dos casos de uso (diagramas de seqüência e de classes). MS Project software da Microsoft para gestão de projetos. Esta ferramenta foi utilizada no planejamento cronológico das atividades que compõem o projeto Linguagens de Programação A linguagem utilizada no desenvolvimento do projeto foi Java e se encaixou perfeitamente nas necessidades existentes. Como o projeto é um incremento de uma aplicação existente, utilizar a mesma linguagem de programação para continuar o trabalho foi muito importante para evitar possíveis incompatibilidades, como, por exemplo, no caso de tentar fazer uma integração com programas de naturezas diferentes. A experiência acadêmica adquirida nas disciplinas de programação foi outro fator que contribuiu para a escolha desta linguagem. Java é uma linguagem de programação orientada a objetos inicialmente desenvolvida pela Sun Microsystems e lançada em A linguagem deriva grande parte da sua sintaxe de C / C + +, mas tem um modelo mais simples e menos objetos de baixo nível. Aplicações Java são normalmente compiladas para um

38 38 bytecode 7 que pode ser executado em qualquer máquina virtual Java (Java Virtual Machine), independentemente da arquitetura do computador. A partir de maio de 2007, em conformidade com as especificações do Java Community Process, Sun passou a disponibilizar a maior parte de suas tecnologias Java como software livre sob a GNU General Public License (GPL). Figura 5.2 Logomarca Java Ambiente de Hardware para Desenvolvimento O ambiente de hardware para desenvolvimento do projeto se refere à especificação da topologia de hardware (equipamentos e conexões) que fornece a plataforma que dá suporte às ferramentas (software) necessárias para produzir os produtos de trabalho. O ambiente utilizado no desenvolvimento do SISCUBE é composto pelos seguintes equipamentos: Dois notebooks DELL Core 2 Duo 2.0 GHz, 4 GB de memória RAM, 120 GB de HD, Windows Vista Home Basic; Hum notebook HP Pavilion AMD Sempron , 2 GB de memória RAM, 120 GB de HD, Linux Ubuntu. 7 É o resultado de um processo semelhante ao dos compiladores de código-fonte que não é imediatamente executável. Em oposição, o bytecode é interpretado numa máquina virtual, que o executa. Desta forma, o bytecode é um estágio intermédio entre o código-fonte (escrito numa linguagem de programação específica) e a aplicação final, sendo a sua vantagem principal a dualidade entre a portabilidade o bytecode produz o mesmo resultado em qualquer arquitetura e a ausência da necessidade do pré-processamento típico dos compiladores o bytecode é encarado como um produto final, cuja validação da sintaxe e tipos de dados (entre outras funções dos compiladores) é necessária.

39 Plano de Organização O plano de organização inclui um conjunto de práticas gerenciais e técnicas que permite à equipe de software (gerência e desenvolvimento) definir um roteiro enquanto ela se move em direção a sua meta estratégica e seus objetivos táticos. É nele, também, que se definem os papéis que cada um exerce na equipe Equipe de Gerência A equipe de desenvolvimento é formada por um Gerente de Projeto, que exerce o papel de líder do grupo. Cabe ao gerente: (1) motivar encorajar a equipe de desenvolvimento a produzir no melhor de sua capacidade; (2) organizar moldar ou inventar processos que viabilizem a meta estratégica e os objetivos táticos; (3) definir marcos, pontos de controle, planos e métodos de acompanhamento, além de verificar e mitigar eventuais riscos. Esta atividade será realizada pelo Bruno Equipe de Desenvolvimento A equipe de desenvolvimento é formada por desenvolvedores Java e analistas de requisitos. Ambas as funções são desempenhadas pelos três integrantes da equipe de projeto (Bruno, Carlos e Rodrigo). As atividades dos desenvolvedores são as seguintes: Bruno: estudo do aplicativo Rubik s Cube e do desenvolvimento de applets, bem como a implementação do tutorial com o cubo mágico virtual. Carlos: estudo dos métodos de resolução do cubo mágico, bem como a implementação da funcionalidade na qual o usuário joga com o cubo mágico virtual. Rodrigo: desenvolvimento das páginas web e seus respectivos casos de uso, bem como a implementação do treinamento com o cubo mágico virtual. 5.3 Plano de Acompanhamento Há muitos motivos que causam problemas em projetos de software, tais como a complexidade do que será desenvolvido e as significativas dificuldades em

40 40 coordenar membros da equipe. A incerteza é comum, e resulta em uma contínua corrente de modificações que perturba a equipe de software. Para lidar efetivamente com os problemas que surgem ao longo do processo de desenvolvimento de software, é necessário estabelecer métodos específicos para coordenar aqueles que o desenvolvem. Para tanto, mecanismos para comunicação formal e informal entre os membros da equipe de software devem ser planejados e executados o plano de acompanhamento deve ser feito Marcos e Pontos de Controle O cronograma do projeto, baseado nas fases do ciclo de vida adotado, fornece o roteiro para a equipe de desenvolvimento. Nele, tarefas e marcos são definidos e devem ser acompanhados e controlados à medida que o projeto prossegue. A tabela a seguir apresenta as fases do ciclo de vida com seus respectivos marcos: Fases do Ciclo de Vida Concepção Comunicação Marco Validação do documento visão Planejamento Elaboração Análise Projeto Construção Transição Validação da especificação dos casos de uso críticos AcessarTutorial3D, TreinarCuboVirtual e JogarCuboVirtual Validação da especificação dos demais casos de uso e do modelo de domínio. Validação do modelo de análise e arquitetura dos casos de uso críticos AcessarTutorial3D, TreinarCuboVirtual e JogarCuboVirtual. Validação da implementação do sistema. Implantação dos casos de uso críticos no site Tabela 5.1 Marcos e Pontos de Controle

41 Métodos de Acompanhamento e Controle Para acompanhamento do projeto, serão realizadas reuniões semanais com o professor orientador, com o intuito de verificar possíveis mudanças de requisitos, para que os mesmos possam ser corrigidos, para que o software seja desenvolvido de acordo com o prazo estabelecido e para que seja feito o controle de conformidade em relação ao planejamento de projeto e ao regimento do projeto final. Reuniões semanais entre os membros do grupo também ocorrerão e sua freqüência irá variar de acordo com as necessidades a andamento do projeto Análise e Gerência de Riscos Em um projeto de software, uma grande variedade de riscos pode ocorrer, uns com menos outros com mais freqüência, variando desde desentendimentos entre componentes da equipe até o não cumprimento de prazos. Os riscos identificados para o projeto SISCUBE foram: 1. Não obedecer aos prazos do cronograma: o projeto corre o risco de não cumprir os prazos do cronograma, pois envolve a utilização de Applet e de um componente livre (Rubik s Cube) e a equipe de desenvolvimento deve pesquisar e entender ambos. Todos os integrantes da equipe desenvolvem outras atividades (curso e trabalho). 2. Desenvolvimento de uma interface não apropriada: o projeto corre o risco de não possuir uma interface intuitiva e de fácil entendimento, dificultando sua utilização. 3. Não conseguir implementar certas funcionalidades pela falta de conhecimento avançado das tecnologias utilizadas. 4. Incoerência com o planejamento do sistema: com o andamento do projeto e o desenvolvimento do sistema, algumas características (funcionalidades) podem ser alteradas, e a não alteração também nos documentos correspondentes (diagramas, descrições) pode gerar incoerência entre os documentos do projeto. Risco Prob. Imp. Prioridade Mitigação Contingência 1 50% A Alta Estabelecer um tempo maior para as Reestruturar o cronograma e