Universidade de Brasília Instituto de Ciências Exatas Departamento de Ciência da Computação playAPC: Projeto e Desenvolvimento de uma Biblioteca Gráfica como Ferramenta Didática para Algoritmos e Programação de Computadores Sinayra Pascoal Cotts Moreira Monografia apresentada como requisito parcial para conclusão do Bacharelado em Ciência da Computação Orientador Prof. Dr. Alexandre Zaghetto Coorientador Prof. Dr. José Carlos Loureiro Ralha Brasília 2016 Universidade de Brasília — UnB Instituto de Ciências Exatas Departamento de Ciência da Computação Bacharelado em Ciência da Computação Coordenador: Prof. Dr. Rodrigo Bonifácio de Almeida Banca examinadora composta por: Prof. Dr. Alexandre Zaghetto (Orientador) — CIC/UnB Prof. Dr. Carla Maria Chagas e Cavalcante Koike — CIC/UnB Prof. Dr. Marcus Vinícius Chaffim Costa — FGA/UnB CIP — Catalogação Internacional na Publicação Moreira, Sinayra Pascoal Cotts. playAPC: Projeto e Desenvolvimento de uma Biblioteca Gráfica como Fer- ramenta Didática para Algoritmos e Programação de Computadores / Si- nayra Pascoal Cotts Moreira. Brasília : UnB, 2016. 251 p. : il. ; 29,5 cm. Monografia (Graduação) — Universidade de Brasília, Brasília, 2016. 1. OpenGL, 2. Computação Gráfica, 3. Biblioteca, 4. Didático, 5. Lúdico, 6. Visual CDU 004 Endereço: Universidade de Brasília Campus Universitário Darcy Ribeiro — Asa Norte CEP 70910-900 Brasília–DF — Brasil Universidade de Brasília Instituto de Ciências Exatas Departamento de Ciência da Computação playAPC: Projeto e Desenvolvimento de uma Biblioteca Gráfica como Ferramenta Didática para Algoritmos e Programação de Computadores Sinayra Pascoal Cotts Moreira Monografia apresentada como requisito parcial para conclusão do Bacharelado em Ciência da Computação Prof. Dr. Alexandre Zaghetto (Orientador) CIC/UnB Prof. Dr. Carla Maria Chagas e Cavalcante Koike Prof. Dr. Marcus Vinícius Chaffim Costa CIC/UnB FGA/UnB Prof. Dr. Rodrigo Bonifácio de Almeida Coordenador do Bacharelado em Ciência da Computação Brasília, 18 de novembro de 2016 Dedicatória Dedicamos à todos os professores que queiram ter mais liberdade criativa ao desenvolver exer- cícios de programação e à todos os alunos que, mesmo com pouca ou nenhuma experiência em programação, queiram fazer trabalhos divertidos, coloridos e interessantes. iv Agradecimentos Agradeço ao professor Ralha, que sempre ofereceu apoio e entusiasmo ao projeto, além do grande auxílio no desenvolvimento tanto da própria biblioteca como material de ensino; à pro- fessora Carla Castanho, pela oportunidade de tutoria e o contato direto com os alunos; ao pro- fessor Zaghetto pela oportunidade de Projeto de Iniciação Científica e pela confiança ao aplicar a biblioteca em uma turma de APC, além de estar sempre sugerindo novas ideias de funcio- nalidades; e à todos os alunos de Algoritmos e Programação de Computadores que retornaram comentários sobre o uso da biblioteca, em especial aos alunos Bernado Ferreira Santos Ximbre, Pedro Paulo de Pinho Matos e Pedro Augusto Coelho Nunes por ter utilizado a biblioteca de forma tão criativa. v Resumo Nos cursos de computação, a primeira matéria de programação é fundamental para que o aluno possa progredir na área, porém sua aprendizagem não é trivial. Um dos métodos recorridos para auxiliar o ensino, independente da área, é o uso de recursos gráficos. Desta forma, foi proposta uma biblioteca gráfica denominada PLAYAPC para ser aplicada no primeiro semestre da matéria de computação dos cursos de Engenharia da Computação, Engenharia Mecatrônica, Ciência da Computação e Licenciatura em Computação, na disciplina Algoritmos e Programação de Computadores(APC) da Universidade de Brasília(UnB). A biblioteca utiliza como recurso gráfico a API OpenGL e foi feita na linguagem C++. Apesar disso, essas escolhas de tecnologia em nada interferem no processo de aprendizado da matéria APC que, para alguns professores, é ministrada na linguagem C. Esta monografia descreve o processo desde o levantamento de requisitos para o desenvolvimento da biblioteca até a sua aplicação em aulas de laboratório. Palavras-chave: OpenGL, Computação Gráfica, Biblioteca, Didático, Lúdico, Visual vi Abstract In computer’s relative courses, the first programming subject is essencial for the undergradu- ate student grow up in the area, but his learning is not trivial. One of the methods to assist the teaching, regardless the area, is the use of graphic resources. It was proposed a graphic libray called PLAYAPC to be applied in the first semester at UnB, in Computer’s Engineering course, Mechatronic Engineering course, Bacharel on Computer Science course and Major in Computer course, in the discipline APC. The library uses as graphic resources the API OpenGL and was written in C++ programming language. Even with theses tecnology choises, it will not complicate the learning processing in the discipline, which, for some professors, it is given in C language. This paper describes the survey process requirement from the development of the library to its application in pratical classes. Keywords: OpenGL, Computer Graphics, Library, Didactic, Playful, Visual vii Sumário 1 Introdução1 2 Fundamentação Teórica e Trabalhos Correlatos3 2.1 Fundamentação Teórica..............................3 2.1.1 Aspectos de Engenharia de Software...................3 2.1.1.1 Requisitos...........................4 2.1.1.2 Desenvolvimento.......................4 2.1.1.3 Validação...........................5 2.1.1.4 Evolução............................6 2.1.2 Aspectos de Computação Gráfica....................7 2.1.2.1 Aspectos Técnicos da OpenGL................ 14 2.1.2.1.1 Translação...................... 14 2.1.2.1.2 Rotação....................... 15 2.1.2.1.3 Escala........................ 15 2.1.2.1.4 Visualização..................... 16 2.1.3 Aspectos Educacionais.......................... 17 2.1.3.1 Tipo de dados......................... 19 2.1.3.2 Estruturas de controle..................... 19 2.1.3.2.1 Estruturas condicionais............... 19 2.1.3.2.2 Estruturas de repetição............... 19 viii 2.1.3.3 Estruturas de dados multidimensionais............ 19 2.1.3.3.1 Unidimensional................... 19 2.1.3.3.2 N-dimensional.................... 19 2.1.3.4 Subalgoritmos......................... 20 2.1.3.5 Recursão............................ 20 2.2 Trabalhos Correlatos............................... 20 2.2.1 Soluções alternativas........................... 22 2.2.1.1 PlayLib............................ 22 2.2.1.2 WinBGIm........................... 22 2.2.1.3 SDL.............................. 23 2.2.1.4 Turtle Grafik.......................... 24 2.2.2 Comparação entre as alternativas e a proposta.............. 24 3 Solução Proposta 27 3.1 Projeto da Biblioteca............................... 27 3.1.1 Levantamento de requisitos....................... 27 3.1.2 Requisitos................................. 31 3.1.2.1 Requisitos não-funcionais................... 31 3.1.2.1.1 Inicializar janela de contexto............ 31 3.1.2.1.2 Renderizar contexto................. 34 3.1.2.2 Requisitos funcionais para renderização de formas geométricas 34 3.1.2.2.1 Tipo de dado Ponto................. 34 3.1.2.2.2 Forma geométrica Ponto.............. 35 3.1.2.2.3 Forma geométrica Reta............... 36 3.1.2.2.4 Forma geométrica Polígono............. 36 3.1.2.2.5 Forma geométrica Círculo............. 36 3.1.2.2.6 Forma geométrica Circunferência.......... 36 ix 3.1.2.2.7 Forma geométrica Elipse.............. 37 3.1.2.2.8 Forma geométrica Triângulo............ 37 3.1.2.2.9 Forma geométrica Quadrado............ 37 3.1.2.2.10 Forma geométrica Retângulo............ 37 3.1.2.2.11 Renderização de gráficos.............. 37 3.1.2.2.12 Colorir formas geométricas............. 38 3.1.2.2.13 Mostrar imagens em formas geométricas...... 39 3.1.2.3 Requisitos funcionais para animação............. 39 3.1.2.3.1 Renderizar cena dentro de um laço de repetição.. 40 3.1.2.3.2 Agrupando mais de uma geometria......... 40 3.1.2.3.3 Movimentação de uma ou mais geometrias..... 40 3.1.2.3.4 Rotação de uma ou mais geometrias........ 41 3.1.2.3.5 Redimensionar uma ou mais geometrias...... 41 3.1.2.3.6 Limpar a cena.................... 41 3.1.2.4 Requisitos funcionais para entrada de mouse e teclado.... 42 3.1.2.4.1 Entrada de teclado.................. 42 3.1.2.4.2 Entrada de mouse.................. 42 3.1.2.5 Requisitos funcionais para outros tipos de funções...... 44 3.1.2.5.1 Colorir plano de fundo da janela.......... 44 3.1.2.5.2 Plano de renderização................ 44 3.1.2.5.3 Componentes RGB de uma imagem........ 45 3.1.2.5.4 Alterar espessura da borda............. 45 3.1.3 Arquitetura da biblioteca......................... 45 3.2 Apresentação da biblioteca............................ 49 3.2.1 Criação da janela de contexto da PLAYAPC ............... 51 3.2.2 Criação dos discos de Hanoi....................... 53 3.2.3 Movimentação dos discos........................ 61 x 4 Resultados Experimentais 69 4.1 Práticas sugeridas pela PLAYAPC ........................ 69 4.1.1 Tipo de dados e estruturas de controle.................. 69 4.1.2 Vetores e Matrizes............................ 75 4.1.3 Subalgoritmos.............................. 80 4.1.4 Recursão................................. 82 4.2 Aceitação por parte dos professores em participar do experimento de aplicar a PLAYAPC ..................................... 88 4.3 Aceitação por parte dos alunos.......................... 89 4.3.1 Instalação da biblioteca.......................... 90 4.3.2 Utilização da biblioteca.......................... 91 5 Conclusão 94