「实用纪录」：制造科学可视化动画

本文转自：纪录公社 Jilu Commune

12月28日，我们举办了第十九期纪录Talk“「实用纪录」：制造科学可视化动画”，邀请到了同济大学艺术与传媒学院助理教授庄沐杨与中国科学技术大学艺术与科学研究中心特任副研究员李浩东分别从电影史与微观结构科学可视化的角度分享动画与科学的渊源、创作实例以及对跨学科创作的思考与期待。以下为讲座视频的部分文字整理，供大家参考，完整讲座请点击下方视频链接。

庄沐杨

庄沐杨老师探讨了中国科教电影与动画的关系。他回顾了中国动画的发展历程，特别是实用动画在科教片中的应用，强调动画作为知识传播的媒介。科教电影不仅服务科学教育，也反映了时代背景和文化交流，涉及视觉现代性、民族风格等议题。

动画的实验与实验的动画

我的学术背景主要是艺术学理论，涉及电影研究。科教电影的研究是基于现阶段电影研究领域的现状展开的。目前在这个领域对科教电影感兴趣的人相对较少。我在博士期间研究中国动画，过程中接触到了一些不同于大众熟悉的动画作品，于是开始关注中国动画的多重面向。

在科教电影中存在大量与动画相关的历史材料，因此我首先对科教电影中的实用动画进行了一些梳理。例如，提到中国动画研究，通常会涉及中国第一部动画长篇《铁扇公主》（1941）和上海美术电影制片厂创作的经典长篇《大闹天宫》（1961）。国内外学界对中国动画的讨论常以颜慧与索亚斌的《中国动画电影史》为权威文献，该书重点探讨了美术电影在中国动画创作中的重要性，尤其是关于民族风格的问题。所谓民族风格的美术电影通过水墨、木偶、剪纸等形式创作出具有中国特色的艺术作品，例如《小蝌蚪找妈妈》（1960）。

△ 小蝌蚪找妈妈, 1960, 中国

然而，在我的博士研究中发现，许多动画作品并不符合“美术电影”的传统定义。例如，科教电影中的电视动画和科普动画，代表作品包括《知识老人》（1994）系列，这是一部面向儿童的科教电影，改编自同名作品，结合卡通片特质，成为一种不同类型的动画形式。此外，《七色花》（1991）改编自苏联民间故事，由北京科学教育电影制片厂制作，而非传统的上海美术电影制片厂。这类作品表明，从上世纪50年代中期到90年代中期，中国的动画创作实际上超越了单一的美影厂模式，涉及更多制片厂的尝试。

这些例子激发了我对中国动画与科教电影关系的进一步思考。科教电影中的动画场景多属于“实用电影/实用动画”，即“Useful Cinema / Useful Animation”，这一概念源于英文学界的相关研究。学者Malcolm Cook、Michael Cowan和Scott Curtis 认为，这类动画往往由集体创作或匿名完成，目的是服务于教育或技术说明，而非强调作者性。这种动画的研究涉及视觉现代性、手绘图像的电影化等议题。(Useful Animation: Iconography, Infrastructure and Impact)

从50年代中期到90年代中期，大量科教电影中包含动画场景，90年代后，北京科学教育电影制片厂并入中央电视台，上海科学教育电影制片厂并入上海广播电视体系。电视教育动画及80年代后期计算机技术的应用都对中国动画的发展产生了深远影响。

在国际学界，关于实用动画与电影的研究已相当成熟。相关讨论往往涉及科学技术史、大众教育、电影与媒介的关系。例如，《Films that Work》和《Films That Work Harder》两本书系统地探讨了工业电影及其实用性议题。在Charles R. Acland, Haidee Wasson主编的《Useful Cinema》中，对实用电影的定义更为明确。学者Scott Curtis的研究也强调动画作为视觉建构工具的重要性，尤其是在知识生产和科学传播中的作用。

美国与苏联在冷战时期50年代中期几乎同步展开科普与科教电影的制作。例如，苏联的铁路隧道科教电影利用动画场景还原火车运行原理，而美国科教电影则通过动画介绍晶体管技术。

△ Canal Railway, 1955, USSR

△ The Transistor, 1953, United States

中国的实用动画案例则主要通过科教电影体现。相关学者如Rui Kunze & Marc Andre Matten指出，中国在新中国成立初期通过科教电影实现了国际交流，展示了特效电影在科学普及中的关键作用。这些动画不仅是知识传播的工具，更影响我们对客观世界及科学知识的观看与理解。（Knowledge Production in Mao-Era China Learning from the Masses）

以改革开放后两部具有代表性的科教电影为例：《地壳运动》（1979）和《胆结石的奥秘》（1981）。这两部影片都大量使用了动画场景。由于当时技术条件的限制，例如难以拍摄太空视角下的地球图像，制作团队选择通过动画或模型的方式进行定格动画尝试，将科学知识进行可视化。《胆结石的奥秘》则涉及人体器官和病变问题，也采用了动画技术来呈现这些复杂的医学知识。

△ 胆结石的奥秘, 1981, 夏振亚

△ 地壳运动, 1979, 韩韦

研究过程中，我发现这些动画的视觉风格与我们小学、初中教科书中的插图风格非常相似，这一套视觉语言在当时被广泛沿用。尽管从学术角度来看，科教电影中的实用动画可能显得枯燥，但深入研究后可以发现它们的独特价值：

实验性的探索：科教电影厂的动画师常利用动画还原实验场景，并尝试一些新的拍摄技法。这些实验性工作为科学传播提供了创新的可能性。

实验动画的萌芽：在1980年代中后期，尽管科教电影是一个主流且官方的电影生产体系，其中也开始出现一些具有个人风格和实验性质的动画作品。这些实验动画在某种程度上突破了传统动画的范畴，为动画创作注入了新的生命力。

（余下讲座以提纲形式展现，完整内容请查看视频）

1.早期中国动画与科教片

介绍中国动画及科教片的发展历程，提到万氏兄弟与南京国民政府的合作尝试，和新中国成立初期动画教育的兴起。1949年后，科教电影逐渐成为独立类型，服务于科学研究和普及知识，创作上受到苏联影响。1960年代，科教电影迎来黄金期，涌现出大量影片及先进拍摄技术，推动了知识传播。

2.制造社会主义科教片

分享社会主义科教片实例《小太阳》，该影片讲述在严冬中为农业生产寻求解决方案的大胆构想——创造一个小太阳。他们的梦想与反物质的科学知识结合，展现了科幻色彩。影片的制作背景也反映了当时资源短缺的困境和拍摄技术的创新，标志着科教电影的探索与发展。

△ 小太阳, 1982 , 王敏生

3.80年代科教电影变革

以早期天气预报的视觉效果和经典科教片的制作为例，展现中国科教电影在80年代的发展与变化加速，特别是动画技术的应用。夏振亚等导演尝试将定格动画、微观摄影融入科教片，创造出既实用又具先锋性的作品，反映了科学传播与文化表达的交织。

△ 冠心病, 1982, 夏振亚

△花, 1990, 夏振亚

4.实验动画与社会变革结合

介绍刘左锋导演两部与环保和动物保护相关的影片。第一部《绿草地》以定格动画的形式强调环保议题。第二部《倒置》则在技法上更加多样，聚焦于动物保护。两部作品都具有深刻的社会意义，值得观众关注与思考。刘左锋的创作背景、动画技法及其在80年代的文化环境中的位置，指出其在动画实验上的独特性。随着技术的发展，特别是CG特效的崛起，传统动画手段逐渐被取代，带来了新的媒介研究视角。

△绿草地, 1990, 刘左锋

△倒置, 1990, 刘左锋

李浩东

李浩东老师讲述了科学可视化与艺术创作的结合，分享了自己从科学研究转向可视化艺术的经历，强调微观世界的重要性。他介绍了显微镜技术和计算机绘图如何帮助理解微观结构，同时指出科学与艺术之间的交流与合作的必要性。

见微知著：微观结构可视化

今天我分享的主题是“见微知著”，这一成语的原意是通过观察细微的迹象，了解事物的本质或发展趋势。而在这里，“微”代表的是微观世界，特别是微米和纳米尺度的世界，这是我们日常生活中很难直接接触到的；“著”则包含“著作”的含义。我希望通过这个主题，能够激发在座各位，尤其是从事影视创作的朋友，在创作中找到一些灵感。

我简单介绍一下自己的经历。在过去将近二十年的时间里，我的职业生涯可以分为两个阶段。第一个阶段是从2006年到2017年，这段时间我在复旦大学高分子系学习，并从事科学研究；第二个阶段从2018年开始，我全职投身于科学可视化工作，在杭州创立了一家公司，为科研人员提供可视化服务，其间还与上海有机所合作开展了一些项目。今年10月，我正式加入中国科学技术大学的艺术与科学研究中心。在我的职业发展中，有两个重要的转折点。第一个转折点是2017年，我决定从科学研究跨界到艺术创作，这对我来说是一个全新的领域；第二个转折点发生在2024年，我逐渐认识到科学与艺术之间的紧密联系，也意识到它们协作后可以催生出许多有意思的可能性。这也是我今天来到这里分享的一个重要原因。

谈到微观世界的观察，我们需要依赖不同的工具。在小时候，我们可能用放大镜观察过昆虫的毛发，这种观察能够让我们看到小至0.1毫米的物体；到了中学，生物老师会教我们使用光学显微镜，可以观察到细胞、病毒以及花粉颗粒等，尺度通常在几百纳米左右。进一步的微观观测主要用于科学研究，比如我在研究生阶段使用的电子显微镜，它能够看到纳米级甚至原子级别的结构。我为大家展示了几张实验图片，这些图片分别来自光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜，表现了微米到纳米尺度上的不同形态。举例来说，第一张图片展示的是微乳液的结构，液滴的直径大约在几百纳米到一个微米之间；第二张图片是纳米颗粒组成的网络结构，这些颗粒的直径仅有几十纳米；最后一张图片是单个纳米晶体，图中标尺为一个纳米，显示的是原子的真实大小。

△ Optical microscope

△Scanning electron microscope, Chem. Commun. 2015

△Transmission electron microscope, Prog. Nat. Sci. 2013

在化学材料领域，科学家通过不同的原料和工艺制备出各种微观结构。这些结构往往需要通过可视化手段来呈现，尤其是在发表论文时，需要用图像清晰地表现材料的制备流程或结构特征。而对于分子层面那些无法直接观测的结果，也必须依赖科学可视化。这也是我最初接触科学可视化领域时所从事的工作之一。

科学可视化的意义非常重要。它不仅在科学研究中发挥作用，同时也广泛用于教育、学习和科学传播。例如，早在20世纪80年代，钱学森先生就曾呼吁文艺界用作品描述科学世界。2019年，《Nature》杂志的一篇文章中提到“科学本质上是一种视觉上的努力”。这一观点与历史上的许多探索相契合，比如17世纪初显微镜刚被发明时，英国科学家虎克出版了《显微图谱》，通过显微镜观察植物细胞并手绘成册。如今，随着技术的进步，显微摄影已经发展为一项成熟的技术。以“美丽科学”团队为例，他们在显微摄影领域做了大量卓越的工作。2019年，他们为美食纪录片《风味人间》拍摄了一系列微观画面，其中包含了许多精彩的细节呈现。

△Robert Hooke, Micrographia, 1665

在计算机绘图软件流行之前，手绘和显微摄影是科学可视化的两种主要方式，也是最直观的方式。然而，这两种方式都存在明显的局限性——它们容易受到观察手段和尺度的限制。对于无法直接观察到的事物，可视化需要依赖计算机辅助设计，并结合基于科学推测的合理想象。这种结合不仅为科学研究提供了新的视角，也为艺术创作开辟了更多可能性。

△ Stable Diffusion, 量子纠缠, 神经网络模型AI创作

最近几年，AI 创作在某些科学图像的绘制上已经展现出了非常不错的艺术效果。个人来说，我是从三维软件自主创作的角度切入科学可视化领域的，所以接下来会分享一些相关的内容。这张图是当时我们实验室一位师兄在论文中画的一张示意图，用三维软件完成。这大概是我刚读研究生时看到的作品。当时，三维软件在化学材料领域中的应用还不算成熟。这张图描绘的是 DNA 分子，也就是中间那条线，缠绕在一些球形胶束的表面，模拟了染色体的一种结构。

△ Kaka Zhang, Ming Jiang, Daoyong Chen*, DNA/polymeric micelle self-assembly mimicking chromatin compaction. Angew. Chem. Int. Ed. 2012

当时我刚进入实验室，对这些内容感到新奇，于是找了些相关资料研究。关于染色体，这里有两张国外绘制的插图，它们和教科书中常见的示意图有很大的不同。国外插图的细节更加丰富，艺术效果也更为多样化。当时我就很好奇，这样的图究竟是怎么画出来的？

△National Human Genome Research Institute

后来，我看了一段动画，这段动画真正让我感受到了科学可视化的魅力。这段动画是美国 XVIVO 团队和哈佛大学合作制作的，主题是细胞内部的生命活动。我当时第一次看到时，脑海中只剩下“震撼”两个字。这大概是 2012 年的事，那段动画刚刚制作完成不久。动画完全依赖 CG 技术呈现，而如果用传统的拍摄方式是完全不可能实现的。整个团队和哈佛大学的研究人员合作，花费整整一年时间制作了约 10 分钟的动画，而我只播放了其中的一小部分。

△The Inner Life of the Cell ©XVIVO

动画的内容展示了细胞生物学的知识，比如微管上的蛋白质分子行走的情景。蛋白质就像一个“小人”在微管上移动，这种过程在我们体内的细胞中是真实发生的。这一画面深深吸引了我，因为它将课本上的抽象概念变成了直观的视觉体验，带来的震撼和理解感受是完全不同的。真正开始科学可视化创作，要到 2017 年左右。当时，我刚从事材料科学研究，于是以微观结构为切入点创作了许多相关图像。为了分享经验，我还创立了微信公众号“3D 科研绘图”，专门教科研人员绘制各种微观结构图。当时这方面的资源在网上几乎是空白，所以对我来说既是一个挑战，也是一个机遇。幸运的是，我对这方面非常感兴趣，也一直坚持下来，并最终组建了专门从事科学可视化的团队，取得了一些成绩。接下来，我会举一些具体的案例，探讨如何将科学可视化与不同艺术形式相结合。

（余下讲座以提纲形式展现，完整内容请查看视频）

1.微观与艺术的局限

目前微观结构的可视化与艺术形式，两者之间的协作仍显局限。虽然一些纪录片和科技新闻中涉及微观事件，但大多数影视作品仍从宏观视角出发，微观相关的画面较少。讲述者提到了汪诘老师的《寻觅自然》系列，反映了科学与艺术在表现微观世界时的沟通隔阂，强调科学准确性在科普影视中的重要性。

△ 寻秘自然 01 生命起源, 汪诘 & 苏世斌 ©科学声音

2.早期分子结构模型

回顾早期分子结构模型，计算机图形软件尚不发达的时段。科学家手工制造血红蛋白的模型，其中每一个小球代表了一个分子，搭建需要耗费一到两个月的时间。模型最终被归入装置艺术，保存在美国历史博物馆。

△ Myoglobin Protein Model, 1965

△ Hemoglobin Protein Model, “forest of rods”, 1968

3.细菌结构的艺术探索

以细菌鞭毛马达的复杂结构为例，展现自然界的艺术创作。这种微小的“发动机”转速极快，且无需燃料，仅依赖离子浓度驱动。科学家与艺术家合作可以通过艺术形式使科学可视化更具吸引力，提升公众对科学的理解。科学与艺术之间的联系被强调为相辅相成，值得深入探索。

△ Flagellar motor from RCSB

对谈环节

△ 庄沐杨老师（左）与李浩东老师（右）对谈

李浩东：关于科教电影，我不知道早期在国内是否备受欢迎。但现在看来，可能由于媒体的高度发达，大家接触到的视频内容种类繁多，科教类内容似乎不再是重点。因此，像汪老师的科教电影能够进入电影院上映是一件非常难得的事情。他为此付出了大量精力。那么在今天这个时代，科教电影的发展应该朝什么方向走？是否可以尝试一些新的科学教育形式？您的看法是什么？

庄沐杨：关于科教电影的讨论，放到今天似乎更偏向一种历史性概念。比如汪老师的作品，他除了在院线发行，也制作了电视纪录片。这表明，在院线放映之外，电视媒介仍是不可忽略的一环。

在1994年之前，国内的科教电影厂是一个完整的生产体系，涵盖生产、发行和放映环节，具有很强的针对性。例如，小学时代我们可能会被组织观看科教片，这是一个固定的传播路径。而现在，这种路径已经不存在。今天较为理想的方式是，通过纪录片形式将科教内容与文化叙事相结合，比如《舌尖上的中国》和《超级工程》这样的作品，它们既包含科普内容，也融入了文化共鸣，具备传播效力和观众基础。

但当前最重要的问题，是短视频对媒介环境的改变。如何利用短视频传播科普内容，是一个值得探索的方向。另外，科幻电影也提供了一些传播科学知识的可能性。例如，《侏罗纪公园》或《蜘蛛侠》中涉及的科学片段，这些片段尽管可能是娱乐化的，但可以成为吸引观众关注科学的契机。总的来说，推动科学传播的尝试仍非常困难。所以，汪老师的两部科教电影能进入院线，是非常了不起的成就，因为连普通纪录片都很难做到。

李浩东：这确实需要综合考虑观众、影院、发行方等多个层面的因素。

庄沐杨：没错，还包括相关主管部门的审查等多方面内容。而且，以往科教片面向中小学生为主，但现在学生们通过其他途径获取知识的渠道非常丰富，未必会选择看这些传统内容。这表明媒介生态的变化已经对科学传播提出了新的要求，科普工作者需要尝试更多变化。

李浩东：还有一个值得探讨的点是科教电影中的美学问题。现在观众的审美水平提高了很多，教育部也在提倡美育教育。那么，在科学传播中，美学的作用和价值是否同样重要？

庄沐杨：美学确实很重要。近期有人提到“科艺融合”，即科学教育与艺术的结合。这个话题让我思考不少。我认为目前的讨论多聚焦于技术层面，例如如何利用AI等技术手段实现艺术化表达。然而，在上世纪80年代的科教片创作中，他们对“艺术性”的讨论是深入且复杂的。当时创作者需要论证，追求艺术性并不会削弱科学知识的传播效果。因为如果被批评“注重美感但忽视科学性”，他们的努力会被完全否定。

比如1982年的《冠心病》，通过直观展现心脏跳动来吸引观众，这种视觉效果不仅仅是“美”，而是通过感官体验唤起观众的好奇心和求知欲。当时还有一种担忧，即过度强调主观表达会被认为是政治上的不正确。创作者不得不论证，科学传播与美学结合的合理性，以及如何通过视觉美感促进科学知识的理解。

李浩东：科学的美学可能与自然风景的美学不同，但它同样震撼人心。例如，国内的医学可视化团队“一目可视”通过技术手段展现心脏内部的血管细节及瓣膜运动，会让人感到科学的美。这种美来自对真实世界的细致展现。

庄沐杨：没错。比如疫情期间，新冠病毒的图像首次公开时，很多人被它的真实结构所震撼。这种可视化不仅具有科学价值，也通过视觉冲击激发了大众的兴趣和关注。

李浩东：《绝对好奇：细菌战场》（Curiosity: Battlefield Cell, 2012) 纪录片让我印象深刻，它拟人化地展现了细胞内部活动。故事讲述了外部细菌入侵细胞后，细胞内部物质如何协作抗击入侵，最终消灭细菌。这种方式不仅科学性强，还具备完整的叙事结构。我认为，这类作品不仅需要科学家的专业支持，也需要艺术创作者的参与。

庄沐杨：您提到的这些例子让我想到过去的一些科普创作。比如，五六十年代的科普刊物中，已经开始通过图像漫画等形式解释抽象的科学概念。这些图像在传播科学知识的同时，也承担了讲故事的功能。在科教电影的创作中，美学的讨论不仅仅是技术、形式或风格的问题，而是通过视觉与叙事结合，把复杂的科学概念转化为可理解、可感知的故事。

（以上对谈内容为节选）