جهت مطالعه این مقاله به 15 دقیقه دقیقه زمان نیاز دارید
آنچه در این مقاله خواهیم خواند:
مقدمه
مکعب روبیک، یکی از چالش برانگیزترین بازی های خلاقانه برای کودکان است که تا به حال طراحی شده. ساده ترین نوع این مکعب روبیک ۲ در ۲ در ۲ (2x2x2) است. با این حال محبوب‌ترین و رایج‌ترین نوع آن، روبیک ۳ در ۳ در ۳ (3x3x3) است. روبیک‌هایی با درجه‌های سختی بیشتر مثل ۴تایی، ۵ تایی و غیره و همچنین روبیک‌هایی مثل روبیک هرمی و یا نامتقارن نیز ساخته میشوند. با این حال به علت محبوبیت بیشتر روبیک ۳ تایی در این مقاله به توضیح حل کردن این نوع از روبیک می‌پردازیم. برای سادگی در ادامه به آن روبیک ۳ در ۳ می‌گوییم. آموزش حل مکعب روبیک ۳ در ۳ برای کودکان، هم جالب است و هم با الگوریتم خاصی انجام می‌شود؛ بنابراین یادگیری حل روبیک ۳ در ۳ موجب درک بهتر کودکان از مفهوم الگوریتم و ترتیب انجام کارها می‌شود. با ما همراه باشید تا در ادامه به آموزش روبیک برای کودکان، یکی از رایج ترین الگوریتم‌ها را برایتان توضیح دهیم.
تاریخچه روبیک ۳ در ۳
مکعب روبیک که به مکعب جادویی نیز مشهور است، در سال ۱۹۷۴ میلادی توسط مجسمه‌ساز و معمار مجارستانی به اسم ارنو روبیک (Erno Rubik) ساخته شد.
سریع‌ترین رکورد ساخت روبیک
در حال حاضر، رکورد‌دار سریع‌ترین زمان حل پازل روبیک ۳.۱۳ ثانیه است که توسط Max Park در تاریخ ۱۱ ژوئیه ۲۰۲۳ ثبت شده است. این در حالیست که سریع‌ترین رکورد ثبت شده توسط یک ربات، ۰.۳۸ ثانیه در سال ۲۰۱۶ ثبت شده است و تقریبا ۱۰ برابر سریع‌تر از رکورد فعلی جهانی است.
آموزش روبیک به کودکان
در این بخش جهت آموزش مکعب روبیک برای کودکان، ابتدا توضیح کوتاهی راجع به این مکعب می‌دهیم و یک سری مفاهیم و کلیات راجع به روبیک ۳ در ۳ می‌دهیم. و در ادامه قدم به قدم هر مرحله را توضیح می‌دهیم. توجه کنید که حل این نوع روبیک اصلا سخت نیست و فقط مراحل انجام کار طولانی است. با این حال با تمرکز و تمرین و تکرار به راحتی قابل یادگیری است و اگر کودک شما با برنامه‌نویسی نیز آشنایی داشته باشد، می‌تواند پس از این که خود به حل این روبیک مسلط شد، برنامه‌ای با کامپیوتر بنویسد که یک حالت از روبیک را از ما بگیرد و راه حل لازم برای حل این نوع روبیک را به عنوان خروجی به ما نشان دهد.
نکاتی راجع به کلیت روبیک ۳ در ۳
این نوع روبیک، در کل از ۲۶ قطعه و ۵۴ مربع رنگی تشکیل شده است. (۹ مربع در هر یک از ۶ وجه) در این نوع روبیک، ۶ قطعه در مرکز هر سمت وجود دارد که تنها از یک رنگ تشکیل شده‌اند و همگی رنگ‌های متفاوتی با هم دارند. (دقت کنید که دو رنگ متقابل را نمی‌توان نسبت به هم تغییر داد. یعنی در کل مراحل حل روبیک، دو رنگ مثلا سفید و زرد همیشه مقابل هم قرار دارند و با چرخاندن هیچ وجهی از روبیک نمی‌توان آنها را در کنار هم قرار داد.) در ادامه به این ۶ قطعه، قطعات مرکزی می‌گوییم.
در روبیک ۳ در ۳، ۱۲ قطعه در کنار قطعات مرکزی هستند که هر کدام از آنها از دو رنگ تشکیل شده‌اند و در تمام مراحل حل روبیک، با جابجا کردن آنها باز هم در همین قسمت‌های کناری قرار می‌گیرند و به گوشه‌های روبیک یا مرکز منتقل نمی‌شوند. (هر کدام از این ۱۲ قطعه از دو رنگ جداگانه تشکیل شده‌اند. به طور مثال، یکی از این ۱۲ قطعه، رنگ سفید و سبز است و هیچ یک از ۱۱ قطعه باقیمانده دیگر، سفید و سبز نیست.) در ادامه به این ۱۲ قطعه، قطعات کناری می‌گوییم.
در نهایت، ۸ قطعه در گوشه‌های روبیک قرار دارند که هر کدام از آنها از سه رنگ تشکیل شده‌اند و در تمام مراحل روبیک، این قسمت‌ها نیز با جابجا شدن، به قطعات کناری یا مرکزی منتقل نمی‌شوند و همواره در گوشه باقی می‌مانند. (در مورد قطعات گوشه نیز ترکیب مثلا سبز و سفید و نارنجی فقط یکی از این ۸ قطعه است که پس از حل پازل باید در جای مناسب خود قرار بگیرد.) در ادامه به این ۸ قطعه، قطعات گوشه می‌گوییم.
توضیحاتی راجع به چرخش جهات روبیک
در ادامه، جهت توضیح حرکاتی که برای حل روبیک ۳ در ۳ استفاده می‌شود، از شکل زیر استفاده میکنیم. در این شکل در کنار هر حرکت نام آن نوشته شده است. با فرض این که رنگ آبی در جلوی ما قرار داشته باشد، اگر سمت راست را به سمت بالا بچرخانیم، به آن "راست بالا" می‌گوییم و اگر سمت راست را به پایین بچرخانیم به آن "راست پایین" می‌گوییم. حال اگر سمت راست را دو بار به بالا یا دو بار به پایین بچرخانیم، به یک وضعیت می‌رسیم که نام آن را "راست ۱۸۰" گذاشته‌ایم. برای دیدن بقیه جهات به عکس زیر دقت کنید.
حل روبیک ۳ در ۳
با این توضیحات، مرحله به مرحله روبیک را حل میکنیم. (توجه کنید جهت به خاطر سپردن مراحل مختلف، هر مرحله را چندین بار تکرار کنید و پس از مسلط شدن، سراغ مرحله بعد بروید. با این که این الگوریتم مرحله به مرحله است، اما به خاطر طولانی بودن، بهتر است که در چندین روز جداگانه هر کدام از مراحل را بیاموزید و برای یادگیری حل کامل روبیک باید صبور باشید.) در شکل‌هایی که در ادامه می‌آیند، رنگ خاکستری نشان دهنده این است که در این مرحله، رنگ آن قسمت از روبیک مهم نیست یا به خاطر تمرکز روی رنگ‌های دیگر، نیازی نیست که به آن رنگ توجه کنید. نکته مهم دیگر این است که در فرمول‌هایی که ذکر میکنیم، رنگ اولیه که در این مثال آبی است را طوری می‌گیریم که روبروی ما باشد تا بتوانیم آن را ببینیم و فرمول‌ها بر اساس این زاویه باید انجام شوند. در مرحله اول، یک رنگ را به صورت دلخواه انتخاب میکنیم و روی آن رنگ یک علامت + درست میکنیم که فرمول خاصی ندارد و به راحتی قابل انجام است. مثلا در این مثال، رنگ آبی را انتخاب کردیم.
در مرحله دوم هدف این است که رنگ‌های کناری این +، با رنگ مرکز همسایه خود یکی باشند. یعنی به صورت زیر:
برای این کار، علامت + را به سمت جلوی خود می‌گیریم و فرمول جلو راست را آنقدر تکرار میکنیم که ۲ تا از رنگ‌های کناری همرنگ مرکز خود شوند. ممکن است برای هر ۴ جهت این اتفاق رخ دهد که در این صورت مرحله ۲ به پایان رسیده است. اما اگر این اتفاق نیفتاد، حتما رنگ ۲ جهت از ۴ جهت درست خواهد بود و ۲ رنگ دیگر اشتباه هستند. این دو رنگ ممکن است روبروی هم باشند (مثل رنگ قرمز و نارنجی).
در این حالت از فرمول زیر استفاده میکنیم. دقت کنید که علامت + یعنی رنگ آبی را به سمت خود می‌گیریم و رنگ‌هایی که اشتباه هستند باید بالا و پایین روبیک باشند. در این صورت بالا ۱۸۰ - پایین ۱۸۰ - عقب ۱۸۰ - بالا ۱۸۰ - پایین ۱۸۰ یا ممکن است این دو رنگ در کنار هم باشند (مثل رنگ سفید و نارنجی).
در این حالتی که ۲ تا از رنگ‌های مجاور درست باشند و دو تای دیگر اشتباه، از فرمول زیر استفاده میکنیم. دقت کنید که علامت + یعنی رنگ آبی را به سمت خود می‌گیریم و رنگ‌هایی که اشتباه هستند باید مانند شکل در بالا و راست روبیک باشند. در این صورت راست ۱۸۰ - عقب چپ - بالا ۱۸۰ - عقب راست - راست ۱۸۰ در هر یک از این دو حالت با اعمال فرمول مناسب گفته شده، این مرحله به پایان می‌رسد و روبیک به صورت شکل زیر می‌شود.
در مرحله سوم، هدف ساختن شکل زیر است که با ساخت این شکل، یک وجه از روبیک به طور کامل ساخته می‌شود و در هر سمت کناری آن، یک T نصفه خواهیم داشت.
برای این که بتوانیم هر یک از ۴ گوشه را درست کنیم که قسمت آبی رنگ کامل شود و در هر سمت یک T نصفه داشته باشیم، ابتدا باید + آبی رنگ را روبروی خود گرفته و آنقدر فرمول عقب راست را اجرا کنیم تا یک گوشه آبی مثل یکی از شکل‌های زیر شود.
در صورتی که این شکل ایجاد شد، با زدن فرمول زیر گوشه آبی به قسمت پایین منتقل می‌شود. بالا راست - پشت راست - بالا چپ و شکل زیر را داریم.
اما ممکن است با اجرای فرمول عقب راست، شکل زیر ایجاد شود.
در این صورت، با اجرای فرمول زیر گوشه آبی به همان قسمت منتقل می‌شود. راست بالا - عقب چپ - راست پایین و باز به همان حالت می‌رسیم و شکل زیر را داریم.
تا اینجا، یاد گرفتیم که چه طور با استفاده از این دو فرمول، رنگ آبی را در جای مناسب قرار دهیم. اما برای این که همزمان هم رنگ آبی در سمت آبی رنگ ظاهر شود و هم ۲ رنگ گوشه‌ای دیگر در جای مناسب قرار گیرند، باید این فرمول‌ها روی گوشه مناسب زده شوند. گوشه‌ای مناسب است که دو رنگ مرکزی مجاور رنگ آبی را در خود داشته باشد. یعنی به طور مثال، ما ۴ گوشه آبی در حالت فعلی داریم. گوشه مناسبی که لازم است فرمول را روی آن اجرا کنیم، برای جهت‌های قرمز و زرد به یکی از دو صورت زیر باید باشد.
در این صورت با اجرای یکی از دو فرمول گفته شده، به شکل زیر می‌رسیم.
ممکن است با چرخاندن قسمت عقب، گوشه آبی به هیچ یک از حالت‌های گفته شده نرسد. در این صورت می‌توانیم یکی از دو فرمول را اجرا کنیم تا رنگ آبی در جای مناسب قرار گیرد. اگر باز هم نشد می‌توانیم چند بار این کار را تکرار کنیم تا این اتفاق بیفتد. در هر صورت پس از تکمیل کردن یک گوشه از رنگ آبی که با دو رنگ مجاور آن همسان است، یک گوشه از چهار گوشه آبی درست می‌شود. همین کار را برای ۳ گوشه دیگر از رنگ آبی تکرار میکنیم تا تمامی ۹ رنگ آبی در روبروی ما قرار گیرند و در هر یک از ۴ طرف کناری، علامت T نصفه ظاهر شود و شکل زیر را داشته باشیم.
در مرحله چهارم، هدف این است که روبیک را به شکل زیر در آوریم.
برای این کار باید رنگ‌های کناری را در کنار مراکز همرنگ بگذاریم. برای این کار رنگ آبی را در روبروی خود قرار می‌دهیم و عقب روبیک را می‌چرخانیم تا به شکلی شبیه شکل زیر برسیم.
در این حالت فرمول زیر را می‌زنیم: عقب چپ - راست بالا - عقب راست - راست پایین - عقب راست - بالا راست - عقب چپ - بالا چپ و نتیجه به شکل زیر خواهد شد.
حال اگر روبیک به صورت زیر باشد،
فرمول زیر را می زنیم: عقب راست - بالا راست - عقب چپ - بالا چپ - عقب چپ - راست بالا - عقب راست - راست پایین و باز نتیجه به همان صورت خواهد بود. یعنی:
همین کار را برای تمام قسمت‌های کناری باید انجام دهیم تا به شکل گفته شده برسیم. دقت کنید که ممکن است در این مرحله با چرخاندن پشت روبیک، هیچ یک از دو حالت گفته شده ظاهر نشود. می‌توانیم یکی از دو فرمول بالا را اعمال کنیم تا جای قرارگیری خانه‌ها عوض شود و دوباره بررسی کنیم که هیچ رنگ کناری‌ای این ویژگی را دارد یا خیر. اگر نداشت باز هم همین کار را تکرار میکنیم تا به وضعی برسیم که یکی از دو شکل گفته شده ظاهر شود. پس از آن می‌توانیم با این دو فرمول رنگ‌های کناری را درست کنیم. وقتی هر ۴ طرف تکمیل شد، شکل زیر را داریم:
در مرحله پنجم، هدف درست کردن یک + در قسمت مقابل است. (یعنی رنگ سبز در مثال ما) از آنجایی که نشان دادن شکل مکعب سه بعدی و درک پشت آن شکل روی صفحه سخت است، در ادامه ما قسمت پشت روبیک را نشان می‌دهیم. قسمت آبی کامل شده است و هر ۹ مربع مربوط به آن سمت آبی هستند. هر یک از رنگ‌های قرمز، نارنجی، سفید و زرد نیز ۶ رنگ تکمیل شده دارند. بنابراین شکل روبیکی که تا به حال تکمیل کردیم (از سمت دیگر) به این صورت است:
و شکلی که می‌‌‌خواهیم در این مرحله به آن برسیم، شکل زیر است.
دقت کنید که برای بهتر دیده شدن و درک راحت‌تر موضوع، نمای شکل را از پشت کشیده‌ایم. اما فرمولی که در ادامه نوشته می‌شود با همان فرض اولیه است که رنگ آبی روبروی ماست. به هر صورت، پس از تکمیل مرحله قبل، ممکن است + در قسمت سبز به صورت شانسی درست شود. در این صورت این مرحله به پایان می‌رسد. اما ممکن است + درست نشود که سه حالت پیش می‌آید. قسمت جالب اینجاست که در تمام این سه حالت، فرمول ثابت است و به صورت زیر است: بالا چپ - راست بالا - عقب چپ - راست پایین - عقب راست - بالا راست با توجه به این فرمول، ادامه می دهیم. در حالت اول که از همه ساده‌تر است و با یک بار اجرای فرمول پایان می‌یابد، ممکن است روبیک به این صورت باشد:
سمت آبی را در روبروی خود قرار می‌دهیم؛ طوری که خط سبز به صورت افقی در طرف دیگر قرار گیرد. در این صورت با یک بار اجرای این فرمول به حالت + سبز می‌رسیم. در حالت دوم ممکن است روبیک به این صورت باشد:
در این حالت نیز رنگ آبی را روبروی خود قرار می‌دهیم تا رنگ سبز پشت آن به این صورت شود. با اجرای یک بار این فرمول، به حالتی می‌رسیم که در قسمت سبز رنگ شکل خط را خواهیم داشت. می‌توانیم با اجرای دوباره فرمول، به + سبز رنگ برسیم. در حالت سوم، ممکن است روبیک به این صورت باشد:
در این حالت، با اجرای فرمول برای اولین بار به حالت قبلی می‌رسیم. با اجرای مجدد فرمول می‌توانیم به خط سبز رنگ برسیم و با اجرای سه باره فرمول، می‌توانیم به + سبز رنگ برسیم. در پایان این مرحله، باید روبیک به صورت زیر باشد:
در مرحله ششم مکعب روبیک، هدف ساختن شکل زیر است:
برای این کار، ممکن است که به صورت خودبه‌خود به این شکل برسیم که در این صورت این مرحله تمام شده است. اما ممکن است که رنگ‌ها با هم همخوانی نداشته باشند. یکی از رنگ‌ها را با رنگ مرکز آن همرنگ میکنیم. دقت کنید که فقط یکی از آنها باید همرنگ مرکز خود شود و نه ۲ تا. در غیر این صورت باید فرمول را مجددا تکرار کنید. در هر صورت، با اجرای فرمول زیر، بدون به هم خوردن رنگ‌هایی که تا به حال درست کرده‌ایم، ۳ تا از این رنگ‌های کناری جابجا میشوند و ممکن است به نتیجه دلخواه برسیم. اگر نشد باز هم این کار را تکرار میکنیم تا به نتیجه دلخواه برسیم. با تکرار و تمرین متوجه خواهید شد که در چه جهتی می‌توانید این کار را انجام دهید تا راحت‌تر به نتیجه برسید و مجبور نباشید چندین بار این فرمول را تکرار کنید. برای اجرای این فرمول، رنگ آبی را روبروی خود گرفته و این فرمول را انجام دهید: راست بالا - پشت چپ - راست پایین - پشت چپ - راست بالا - پشت ۱۸۰ - راست پایین با اجرای این فرمول در حالت مناسب، به خروجی مطلوب می‌رسید و روبیک مثل شکلی که گفتیم می‌شود. یعنی هر چهار رنگ کناری کامل میشوند و فقط ۴ گوشه پایانی روبیک باقی می‌ماند.
در مرحله هفتم، هدف رسیدن به حالتی است که رنگ قطعات گوشه، مثل رنگ مراکز خود شود یعنی مثل شکل زیر:
دقت کنید که ممکن است رنگ‌بندی‌ها متفاوت باشند و دقیقا مثل این شکل نشود. اما در پایان این مرحله، سه رنگی که در هر گوشه وجود دارند باید با سه رنگ مرکزی همخوانی داشته باشند. ممکن است در ابتدای این مرحله این اتفاق به طور شانسی بیفتد که در این صورت این مرحله نیز به پایان رسیده است. اما در صورتی که رنگ گوشه‌ها با رنگ مرکزهایشان یکی نباشد، باید دنبال یک گوشه بگردیم که این ویژگی را دارد. مثلا در شکل زیر گوشه قرمز، سفید و سبز این ویژگی را دارد.
در اینجا روبیک را به حالتی در دست خود می‌گیریم که این گوشه، در قسمت زیر و سمت راست مکعب باشد. یعنی اگر شکل مکعب را با همان جهت اصلی آبی رنگ از روبرو در نظر بگیریم، عکس قبلی به این صورت شود.
فرمولی که در این حالت می‌زنیم این است: عقب چپ - پایین راست - عقب راست - بالا راست - عقب چپ - پایین چپ - عقب راست - بالا چپ با این کار، ممکن است سه گوشه دیگر نیز در جای مناسب قرار گیرند؛ اما اگر باز هم جای سه گوشه دیگر درست نبود، یک بار دیگر همین فرمول را در همان زاویه اجرا میکنیم. ممکن است این بار سه گوشه در جای مناسب قرار گیرند. اما اگر باز این اتفاق نیفتاد، برای بار سوم همین فرمول را در همان زاویه اجرا میکنیم و این بار حتما ۳ گوشه دیگر در جای مناسب قرار خواهند گرفت و به این ترتیب هر چهار گوشه در جای مناسب قرار خواهند گرفت و این مرحله نیز به پایان می‌رسد. توجه: شاید در ابتدای این مرحله، هیچ یک از ۴ گوشه در جای مناسب نباشند و همرنگ سه رنگ مرکزی خود نباشند. در این حالت به دلخواه همین فرمول را روی یکی از این گوشه‌ها اجرا میکنیم تا ۳ تا از گوشه‌های دیگر با هم عوض شوند. پس از آن ممکن است یکی از آنها در جای مناسب قرار گیرد. اما اگر این اتفاق رخ نداد، یک بار دیگر این فرمول را در همان حالت تکرار میکنیم و پس از آن، حتما یکی از گوشه‌ها در جای مناسب قرار خواهد گرفت. سپس مثل مراحل گفته شده این فرمول را روی گوشه‌ای که در جای درست قرار دارد اجرا میکنیم. در پایان این مرحله، مکعب به شکل زیر در می آید:
که همانطور که در ابتدای این مرحله گفته شد، ممکن است جهت قرارگیری رنگ‌ها متفاوت باشد و یا حتی به صورت شانسی، در این مرحله روبیک کاملا حل شود، اما احتمال آن بسیار کم است و معمولا این اتفاق نمی‌افتد و در این مرحله، فقط هر یک از این چهار گوشه در جای مناسب خود قرار دارند.
در مرحله ۸ که مرحله پایانی است، ساده‌ترین فرمول را داریم که برای هر یک از گوشه‌هایی که در جای مناسب قرار گرفته‌اند باید آن را اجرا کنیم. (البته دقت کنید که احتمال دارد ۲ تا از این ۴ گوشه علاوه بر اینکه در جای مناسب قرار دارند، ترکیب رنگی درست نیز داشته باشند که لازم نیست روی این ۲ گوشه، این فرمول را اعمال کنیم.) سمت آبی را مثل همیشه در جلوی خود قرار می‌دهیم؛ طوری که در گوشه بالا و سمت راست، گوشه‌ای وجود داشته باشد که رنگ پشت آن (یعنی سبز در مثال ما) با مرکزش همسان نیست. در این حالت، فرمول این است: راست پایین - جلو چپ - راست بالا - جلو راست این فرمول را باید ۲ بار یا چهار بار تکرار کنید تا رنگ آن گوشه سبز با رنگ مرکزش یکی شود. دقت کنید که ظاهر روبیک در این مرحله کامل به هم خورده است. اما به آن توجه نکنید و فقط باید آن گوشه از رنگ پشتی (سبز در مثال ما) درست شود. وقتی که این دو قطعه همرنگ شدند، فرمول عقب راست را یک بار اجرا کنید، اگر در این گوشه نیز سبز در مکان مناسب بود که خوب است؛ اما اگر نبود، مجددا ۲ بار یا ۴ بار فرمول گفته شده را اجرا کنید تا این گوشه نیز همرنگ مرکز خود یعنی سبز شود. مجددا عقب راست را یک بار اجرا کنید، اگر در این گوشه نیز مکان سبز درست بود که خوب است. اما اگر نبود، مجددا ۲ یا ۴ بار باید فرمول گفته شده را بزنید تا این گوشه نیز با مرکز خود مطابق شود. نهایتا برای بار آخر فرمول عقب راست را اجرا کنید. اگر این گوشه سبز با رنگ مرکز خود یکی بود که روبیک حل شده است. اما اگر نبود ۲ یا ۴ بار دیگر فرمول آخر را تکرار کنید تا رنگ سبز این گوشه نیز با رنگ مرکز خود یکی شود. حال روبیک به طور کامل حل شده است و با یک چرخش آخر می‌توانید هر ۶ جهت را تکمیل کنید.
نتیجه‌گیری
هرچند که آموزش مکعب روبیک طولانی است و ممکن است چندین روز یا چند هفته زمان لازم باشد تا کودکان بتوانند مکعب روبیک را به درستی کامل کنند، با این حال این بازی برای افزایش خلاقیت کودکان لازم است والگوریتمهای قانونمند حل این پازل برای درک مفهوم الگوریتم و ترتیب انجام کارها بسیار برای کودکان موثر است و پس از یادگیری و تمرین روی حل کردن این پازل شگفت‌انگیز، هم سرعت عمل کودکان افزایش می‌یابد و هم سرعت ذهن آنها در پردازش الگوریتم بسیار زیاد می‌شود و ذهنشان برای برنامه نویسی و آموزش کد نویسی برای کودکان نیز بسیار آماده‌تر می شود.
