3D動漫設計在中小學綜合實踐活動課程中的應用研究*

徐 瑩，肖 祎，付 玉，張東亮

（浙江大學 國際設計研究院，浙江 杭州310058）

一、引言

隨著社會經濟的發展，尤其是人工智能時代的到來，如何讓學生進入社會后具有競爭力已經成為當下的熱點問題。結合社會發展趨勢分析，未來社會需要的人才應具備以下四大能力：掌握運用科技的能力、跨學科快速學習的能力、強大的協作溝通能力和解決問題的能力。

科學技術正在徹底改變我們的社會結構，未來的人才教育也面臨著全新的挑戰。傳統課程注重知識傳授，事實上更多地參照了布魯姆教育目標分類學中的認知層面，即更關注知識領域中的識記、理解、應用等目標，而對分析、綜合和創造層面重視不足。

我國政府十分重視培養學生的創新能力、創新意識和綜合素質。教育部發布的《教育信息化“十三五”規劃》[1]中提到：有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，養成數字化學習習慣，促進學生的全面發展，發揮信息化面向未來培養高素質人才的支撐引領作用。

另外，教育部發布的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》[2]中提出：綜合實踐活動是國家義務教育和普通高中課程方案規定的必修課程，與學科課程并列設置，是基礎教育課程體系的重要組成部分。因此，將STEAM教育理念引入到創客教育中，將成為學校開展綜合實踐活動課程培養青少年的綜合素質的一種有效方式[3]。

STEAM教育是一種整合科學、技術、工程、藝術和數學的教學和學習途徑，強調跨學科，將知識獲取、方法與工具的應用以及創新生產的過程有機地融合在一起，形成統一的整體。創客課程關注知識領域中的分析、綜合和創造層面的目標，是一種基于學生興趣、以項目學習的方式，使用數字化工具進行合作創造的課程，培養學生解決問題的能力、團隊協作能力和創新能力，是一種綜合型的素質教育課程。

然而，現有的創客課程種類較少。目前創客課程主要有四種：一是以通用技術為核心，二是以電子開源軟硬件或編程為核心，三是以3D打印為核心，四是以機器人為核心。

從種類分布可以看出目前創客課程的技術傾向性。創客空間在許多校園中都是一種新興事物。目前很多學校都將創客課程引入校園，開設校園的創客空間。

美國德雷克塞爾大學的研究者歷時一年，訪問和實地考察了12個城市的30家創客空間后整理出的一項調查研究報告顯示[4]，男生數量在創客空間中處于主導地位，占76%，而女生只占24%。低年級學生的性別比較均衡，但從八年級到高中階段，參與創客活動的女生數量下降了25%。由此可見，創客活動男女學生比例失衡的現象非常明顯。究其原因，主要是創客課程的內容對女生的吸引力較弱。

另外，創客是一項綜合性極強的創造性活動，但是現有的創客課程存在綜合性不強等問題。一般的創客課程側重電子、機械、材料、計算機等基礎知識的講授與操作技能訓練，或者3D建模、制造、電路裝配、電子切割、編程等較復雜的技能訓練。

這些課程雖然也需要學生多方面的知識去解決問題，但往往側重于某一項技術或技能，在學生綜合素質培養方面略顯不足。例如，3D打印課程強調培養學生的創新實踐和設計能力，但是目前的課程存在打印操作繁瑣、打印速度慢、設備容易出故障等諸多問題。而且，在3D打印課上，學生往往只能參與前期設計環節，后期的打印移交給打印中心，導致學生的參與度不高，難以形成設計制作的完整閉環。

為了解決目前創客教學中存在的問題，我們研發了3D動漫設計創客課程，并研究它在中小學綜合實踐活動課程中的應用。課程采用自主研發的三維設計軟件，結合平面繪畫和手工制作，教學生親自設計與制作動漫玩具，講授創意設計、繪畫、3D建模、手工制作和作品展示等方面的知識和技能，培養學生的綜合能力。

課程采用與3D打印課程不同的創意物化形式來形成完整的設計制作閉環。例如，課程中的平面繪畫到三維建模的過程是平面到立體的過程，三維模型到紙樣設計的過程是立體到平面的過程，紙樣到縫制后的成品是平面到立體的過程。通過平面到立體、立體到平面的兩輪強化過程，加深學生理解平面與立體的概念及它們之間的聯系，并能用電腦設計與手工制作出來。

二、3D動漫設計軟件

在三維設計技術方面，近幾十年來很多專家已經做了大量的研究，不少公司也開發了一些商用的3D軟件。采用這些軟件，可以設計出非常復雜逼真的造型效果，但是這些軟件主要是面向專業的設計師開發的，操作比較復雜，學習起來比較困難，不適合中小學生使用。

近年來，雖然不少企業也開發了一些操作簡單的3D軟件，如TinkerCAD、3DOne等，但這些軟件的操作模式與專業軟件是一樣的，只是在操作上做了一些簡化，在設計方面還不能有效地表達設計思維。此外，這些軟件難以快速出設計動漫形象。

在設計中，草圖是設計思維和交流的重要工具，草圖設計歷來都是創作的首要步驟。基于草圖的交互方式符合概念設計初期用戶的認知習慣，通過自由的手繪勾畫可支持用戶連續的、個性化的思維表達。

作為一種自然、快速表達設計意圖的設計方法，草圖式三維造型方法有效地提高了三維造型的效率和性能，改善了人機交互方式。計算機支持的手繪草圖工具在手繪草圖和基于計算機的建模程序之間架起一道橋梁，它綜合手繪草圖和電腦造型的各自優勢，一方面為設計創意表達提供了一個智能、自然的草圖設計界面，同時又能識別與理解草圖，在此基礎上進一步實現快速的三維建模。

基于草圖的設計方法，我們研發了簡單易學的三維動漫設計軟件EasyToy[5][6]，如圖1所示，軟件包括兩個模塊：三維造型軟件與開版軟件。三維造型軟件用于設計動漫形象的立體造型，可以將動漫形象的平面設計圖快速轉換為立體的動漫造型，實現二維到三維的轉換。開版軟件用于設計動漫玩具的二維紙樣，采用電腦自動展開的方法將三維曲面展開為二維平面，實現三維到二維的轉換。基于設計的二維紙樣裁剪布料后，可以制作成動漫玩具。

圖1 EasyToy三維造型軟件和開版軟件界面圖

造型軟件的基本操作是輸入平面的輪廓線，直接生成三維模型。軟件的大部分操作都采用平面的方式實現三維的操作。通過一系列的操作組合，可以生成復雜的三維動漫玩具模型。

與傳統的造型系統相比，EasyToy軟件有兩個明顯的優勢：

首先，軟件操作都是用平面的方式完成的，就像在平面上繪畫一樣進行三維造型，使得軟件簡單易學；而傳統造型系統的三維造型操作都是在三維空間中實現的，要求設計者有很強的空間想象力，使得一般的用戶很難使用造型系統進行造型。

其次，系統界面簡單，操作直觀。每一個操作都是用最簡單的方式實現的。比如，生成回轉體時，只需要繪制一根大致對稱的封閉線就可以了。而傳統造型系統的界面設計和操作步驟非常復雜，對學習和掌握系統的使用帶來很大的難度。由于其簡單易學的特性，對于沒有三維造型經驗的初學者也可以在很短的時間內學會并熟練掌握操作。

開版軟件的工作流程如下：先在三維玩具模型的表面繪制縫合線，然后將三維紙樣展開到平面上，自動得到二維紙樣。傳統的手工紙樣設計方法，對設計者的空間想象力和實踐經驗有非常高的要求，需要很長的時間才能學好，并且要有多年的實踐經驗才能達到精通的程度。而電腦自動的紙樣設計方法操作簡單，可以在1-2個小時內就能學會基本操作。

通過EasyToy軟件的學習，學生們可以增強電腦操作能力、三維設計能力、增強空間想象能力，理解基本幾何體和圖形變換（旋轉、移動和縮放）的概念、空間與平面的關系，掌握3D動漫玩具的設計方法和技巧。

三、教學理念與課程設置

根據教育部印發的 《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》，綜合實踐活動的學習目標分為價值體認、責任擔當、問題解決、創意物化等方面，其中“創意物化”和“設計制作”都是第一次提出，為創客教育留下了很大的空間。

本課程基于創意物化和設計制作的基本目標，立足學生的興趣愛好，培養學生的綜合素質，讓學生實現自我探索與主動實踐。同時，多元化的課程和個性化的教學能更好地促進學生的創新能力，讓學生學習知識的時候，享受設計與制作的快樂，真正做到寓教于樂。

1.教學理念

本課程的教學理念包括三個方面：創意物化、課程多樣化與教育個性化。

（1）創意物化

課程基于青少年對毛絨玩具的喜愛，以青少年喜歡的卡通動漫形象作為設計教學和手工教學的立足點。一方面，鼓勵學生大膽構思，從日常生活中捕捉創作靈感，在特色教學工具的輔助下，手腦并用，靈活掌握設計技巧，更好地進行創意表達。另一方面，課程降低了創客教育的門檻，學校無需配備昂貴的教學設備也能開展創客課程，學生只需利用身邊的工具，用簡單的紙張、布片、針線就能親自制作動漫玩具。

創意物化的目標是讓學生學會知識遷移，基于生活提出問題，并通過自己的能力解決問題，最終以“物化”的方式服務生活。對學校來說，有良好的教育裝備固然好，但對學生來說，掌握設計制作的要領才更為重要。課程將學生們的創意和玩具實體相結合，教給學生一整套的設計制作方法，教他們如何運用工具，并結合具體工藝（包括信息技術）進行玩具設計，讓學生們可以動手操作，將自己的動漫設計方案最終轉化為極富特色的3D玩具，并制作出玩具實物。

（2）課程多元化

課程立足于3D動漫設計，主推創客模式下的“設計制作”。設計制作本身就非常適合啟蒙教育，在這個過程中，學生需要融合各類知識和技巧，將書本上學到的知識進行綜合運用，最終才能完成設計。

本課程正是基于這樣的教育需求，綜合了美術、設計、計算機、數學、科學、手工縫制等多門課程，利用簡單易學的3D軟件，結合平面繪畫和手工，教學生們親自動手設計，并制作出動漫玩具，綜合提升了學生的繪畫、動手、計算機操作、空間想象等基本能力。在設計構思過程中，提升學生的審美與藝術水平；在紙樣設計過程中，增強學生的立體空間概念；在手工制作的過程中，培養學生的耐心和手工制作能力；在創意展示環節，促進學生的協作意識和團隊精神。

課程不僅綜合了中小學開設的傳統課程，也可以和其它創客課程結合，衍生更多創意。例如，3D設計軟件導出的模型可以和3D打印課相結合，讓學生創作出更多樣化的模型。此外，本課程和青少年的STEAM課程結合，讓學生將電子芯片安裝在設計制作的毛絨玩具中，創造出更加有趣好玩的玩具。

（3）教育個性化

課程打破了傳統手工課程的僵局。傳統手工課往往會提供給學生現成的材料包，課堂上學生們做出的成品大同小異。傳統手工課雖然可以讓學生掌握制作技能，卻無法滿足學生差異化的個性需求。

本課程最大的特色就在于學生可以完全實現個性化創意與制作。借助特色的教學軟件，學生們可以直接創作獨特的3D模型，使用配套的開版軟件，開版出平面紙樣，最終縫制成動漫玩具。

整個過程包括了3D模型的體與面的合成與展開，提高了學生的空間想象力，加深了學生對平面、立體幾何構造的理解，對學生今后的空間幾何學習有良好的促進作用。最重要的是，它滿足了學生個性化發展的需要。在掌握基本技巧后，學生可以靈活運用軟件，設計任何想要的造型。課程豐富了他們的創意表達方式，也激發了他們源源不斷的創作靈感。

2.課程內容

課程的基本框架基本是圍繞 “設計+制作+展示”來展開。圖2是課程內容的基本框架。設計課分為2D手繪課和3D建模課，制作課分為紙樣開版課與手工縫制課。手繪課以繪畫教學為主，讓學生掌握動漫形象的繪制技巧；3D建模課教學生如何使用EasyToy軟件、如何在3D空間構建出期望的玩具模型。

圖2 課程內容框架圖

制作毛絨玩具之前，學生需要學會使用軟件對玩具模型進行開版；開版好的紙樣打印出來后，學生就可以根據紙樣裁剪布片，進行手工縫制與裝飾，最終獲得自己期望的毛絨玩具。

（1）設計建模

手繪課程以簡筆畫入門，教會學生們基本的繪畫技巧以及卡通造型三視圖的繪制技巧，簡筆手繪課既是學生設計學習的第一步，也是能最直接表達其設計思維的方式之一。學生掌握了基礎的輪廓造型方法后，會學習如何繪制動漫形象的姿態和表情以及簡單的動漫服裝設計和顏色搭配。課程通過色彩和造型的教學對學生進行藝術與審美的熏陶，在傳統美術課的基礎上融入工程制圖中的三視圖畫法，將空間思維滲透到美術課的學習中，激發了學生的空間想象力，為后續的3D教學做鋪墊。

在3D建模課上，學生用3D動漫設計軟件Easy-Toy來進行立體建模。在這個環節，學生不僅可以熟悉計算機操作，更能加深對數學中幾何知識的理解。學生們可以獲得從點線面到空間幾何體（球、錐體、立方體）的基本認知，加深對對稱、旋轉和平移等數學概念的理解。

軟件的亮點在于曲線造型，通過靈活的曲線造型，學生可以進一步體會到幾何建模的樂趣，對今后的幾何學習起到更好的促進作用。這個階段讓學生學會在不同的視圖中觀察并建立物體模型，以草圖式的輪廓繪制方法讓學生輕而易舉學會設計，提升課堂的趣味性，激發學生的興趣，提高自主學習的積極性。

（2）動手制作

在制作環節，由于立體模型的制作有別于平面剪裁，學生們會了解到動漫玩偶的制作工藝，通過紙樣開版探索體與面之間奇妙的聯系，在學習新技能的同時讓學生進行獨立思考。

比如，探索同一個幾何物體的多種展開方式，縫合線的長短對曲面形狀的影響等。專業的開版流程雖然復雜，但作為啟蒙課程，課程并不會把重心放在開版本身，而是根據學生自身的能力進行教學，讓大部分學生能夠掌握基本幾何形體的開版技巧。整個開版流程是讓學生對體與面之間的轉化能有更深層次的理解，也是進一步拓寬學生空間思維的實踐環節。

在手工DIY環節，學生會接觸到各種材質的布料，了解布料工具的屬性和生活中的實際應用，掌握基本縫制技能，學會基本針法和基本縫制技巧。縫制可以采用手工方式，也可以使用縫紉機。作為民族傳統手工藝之一，縫制課程恰好可以借助“傳統手工藝進校園”活動在各大中小學開展，弘揚中國傳統文化的同時，又提高了學生的動手能力。除了基礎縫制，學生也可以廢物利用，發揮創意，將身邊的紐扣、別針等做成創意裝飾，變廢為寶。

（3）互動展示

課程始終貫穿互動式教學，每節課教師都會對學生的作品進行點評，學生之間也會有小組互評。學生間互相競爭、互相激勵，營造良性循環的活力氛圍。只有改變傳統課堂學生被動接受知識的方式，學生才能真正擁有積極主動性，創造性和創新性才會被激發。

作為一門綜合實踐課，課程培養的不僅是學生的技能，而且培養了學生的表達能力與協作能力。小組作業的形式讓每個學生獨立完成自己作品的同時，也能幫助他人解決困難。在最終的展示環節，學生們會用他們做出來的毛絨玩具進行創意展示。學生們可以通過話劇、講故事等多種形式進行創意展示，提升口語表達能力、舞臺表現力等，從合作表演中獲得快樂和滿足。

四、課程實踐

為了探索與驗證新的教學形式和教學方法，我們用三種不同形式的課程進行教學試點與課程調研：①線上宣傳與線下親子活動，開設玩偶DIY體驗課；②與周邊小學合作，在杭州當地學校的科學興趣班進行試點教學；③在有“毛絨玩具之都”美稱的揚州，與當地維揚實驗小學北區校合作，面向三、四、五年級學生連續開設3期（每期6天）的3D動漫設計暑期夏令營。夏令營不僅培養了學生的綜合實踐能力，而且弘揚了當地特色產業文化。截至目前，我們研究的實踐對象已經覆蓋了5-14歲近200名城鄉中小學生。

不同于傳統的課堂教學，創客課程更側重于讓學生在實踐中掌握多樣化的知識，教會學生從設計構思到手工制作一整套的綜合實用技能，讓他們學會如何用不同的形式表達創意，在技能的學習中激發潛能。

本次實踐課程尤其注重培養學生個人能力以及和與其他成員的協作溝通能力。在合作與溝通中，學生獨立設計并完成作品，從中獲得成就感與滿足感，真正做到以樂促學。

依據課程的設置，課程內容包括簡筆手繪、計算機建模、紙樣設計、手工制作和創意展示等幾個環節。課程以動漫設計課開篇，教會學生卡通玩具的設計方法，然后采用3D造型軟件和開版軟件設計立體模型與二維紙樣，然后手工縫制玩具實物，最后讓學生按小組或個人進行作品展示，以故事或話劇的形式展現自己設計玩具的獨特之處。

針對擁有不同基礎、不同性別和不同年齡段的學生，我們擬定不同的教學方案進行創客課程教學，以滿足不同學生的需求。圖3展示了課程實踐的部分圖片。針對不同的學生，我們除了對課時劃分和課程內容進行調整，也考察了學生對計算機建模的能力，以改進教學軟件。

實踐結果表明，隨著計算機教育的普及，小學生們普遍具備基本的計算機操作能力。小學二年級以上的學生幾乎都可以很靈活地操作計算機進行三維建模，而低齡兒童的操作能力因人而異。

在揚州的試點夏令營主要針對的是三、四、五年級的學生，高年級學生大多已經在數學課上接觸過平面幾何與空間幾何的相關知識，再加上熟練的計算機操作能力，表現出了明顯的優勢——學生們基本上都能在規定時間內將自己設計的手繪稿建出三維模型。由于教學軟件EasyToy是基于草圖的造型技術，學生很快就可以掌握建模的基本操作。

通過案例的模仿與練習，學生基本在兩天內就可以掌握從基本幾何體到簡單的卡通造型的建模技巧。根據教學反饋，學生們普遍對電腦建模環節最感興趣。大部分學生表示，建模環節雖然很有挑戰性但很有趣。對于其它環節，學生們的偏愛程度各不相同，但大部分學生都表示，整個課程很有趣，學會很多新技能，設計并制作出自己的作品很開心。

圖3 課程實踐案例圖片

五、結論與展望

基于自主研發的3D動漫設計軟件，我們將青少年喜愛的動漫玩具貫穿整個3D動漫設計創客課程的學習，通過手繪、建模、開版、手工、創意展示等有趣的課程內容，引入美術、數學、電腦、設計等課程的知識點，培養了學生的綜合素質與能力，真正做到寓教于樂。

3D動漫設計創客課程是一門全新的課程。到目前為止，我們還只是做了初步的探索。隨著課程的深入應用，課程、軟件及教學將會被不斷改進與完善。結合中小學校的創客空間和綜合實踐活動課，我們整合浙江大學科研團隊的技術力量與一線教育工作者的教學經驗，聚集先進的3D設計技術和系統的創客教學課程，為中小學創客教育注入新鮮的血液，吸引更多的學生和教師參與到3D動漫設計創客的教育中，努力培養更多未來科技設計需要的復合型人才。