3D动漫设计在中小学综合实践活动课程中的应用研究*

徐 莹，肖 祎，付 玉，张东亮

（浙江大学 国际设计研究院，浙江 杭州310058）

一、引言

随着社会经济的发展，尤其是人工智能时代的到来，如何让学生进入社会后具有竞争力已经成为当下的热点问题。结合社会发展趋势分析，未来社会需要的人才应具备以下四大能力：掌握运用科技的能力、跨学科快速学习的能力、强大的协作沟通能力和解决问题的能力。

科学技术正在彻底改变我们的社会结构，未来的人才教育也面临着全新的挑战。传统课程注重知识传授，事实上更多地参照了布鲁姆教育目标分类学中的认知层面，即更关注知识领域中的识记、理解、应用等目标，而对分析、综合和创造层面重视不足。

我国政府十分重视培养学生的创新能力、创新意识和综合素质。教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》[1]中提到：有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用。

另外，教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》[2]中提出：综合实践活动是国家义务教育和普通高中课程方案规定的必修课程，与学科课程并列设置，是基础教育课程体系的重要组成部分。因此，将STEAM教育理念引入到创客教育中，将成为学校开展综合实践活动课程培养青少年的综合素质的一种有效方式[3]。

STEAM教育是一种整合科学、技术、工程、艺术和数学的教学和学习途径，强调跨学科，将知识获取、方法与工具的应用以及创新生产的过程有机地融合在一起，形成统一的整体。创客课程关注知识领域中的分析、综合和创造层面的目标，是一种基于学生兴趣、以项目学习的方式，使用数字化工具进行合作创造的课程，培养学生解决问题的能力、团队协作能力和创新能力，是一种综合型的素质教育课程。

然而，现有的创客课程种类较少。目前创客课程主要有四种：一是以通用技术为核心，二是以电子开源软硬件或编程为核心，三是以3D打印为核心，四是以机器人为核心。

从种类分布可以看出目前创客课程的技术倾向性。创客空间在许多校园中都是一种新兴事物。目前很多学校都将创客课程引入校园，开设校园的创客空间。

美国德雷克塞尔大学的研究者历时一年，访问和实地考察了12个城市的30家创客空间后整理出的一项调查研究报告显示[4]，男生数量在创客空间中处于主导地位，占76%，而女生只占24%。低年级学生的性别比较均衡，但从八年级到高中阶段，参与创客活动的女生数量下降了25%。由此可见，创客活动男女学生比例失衡的现象非常明显。究其原因，主要是创客课程的内容对女生的吸引力较弱。

另外，创客是一项综合性极强的创造性活动，但是现有的创客课程存在综合性不强等问题。一般的创客课程侧重电子、机械、材料、计算机等基础知识的讲授与操作技能训练，或者3D建模、制造、电路装配、电子切割、编程等较复杂的技能训练。

这些课程虽然也需要学生多方面的知识去解决问题，但往往侧重于某一项技术或技能，在学生综合素质培养方面略显不足。例如，3D打印课程强调培养学生的创新实践和设计能力，但是目前的课程存在打印操作繁琐、打印速度慢、设备容易出故障等诸多问题。而且，在3D打印课上，学生往往只能参与前期设计环节，后期的打印移交给打印中心，导致学生的参与度不高，难以形成设计制作的完整闭环。

为了解决目前创客教学中存在的问题，我们研发了3D动漫设计创客课程，并研究它在中小学综合实践活动课程中的应用。课程采用自主研发的三维设计软件，结合平面绘画和手工制作，教学生亲自设计与制作动漫玩具，讲授创意设计、绘画、3D建模、手工制作和作品展示等方面的知识和技能，培养学生的综合能力。

课程采用与3D打印课程不同的创意物化形式来形成完整的设计制作闭环。例如，课程中的平面绘画到三维建模的过程是平面到立体的过程，三维模型到纸样设计的过程是立体到平面的过程，纸样到缝制后的成品是平面到立体的过程。通过平面到立体、立体到平面的两轮强化过程，加深学生理解平面与立体的概念及它们之间的联系，并能用电脑设计与手工制作出来。

二、3D动漫设计软件

在三维设计技术方面，近几十年来很多专家已经做了大量的研究，不少公司也开发了一些商用的3D软件。采用这些软件，可以设计出非常复杂逼真的造型效果，但是这些软件主要是面向专业的设计师开发的，操作比较复杂，学习起来比较困难，不适合中小学生使用。

近年来，虽然不少企业也开发了一些操作简单的3D软件，如TinkerCAD、3DOne等，但这些软件的操作模式与专业软件是一样的，只是在操作上做了一些简化，在设计方面还不能有效地表达设计思维。此外，这些软件难以快速出设计动漫形象。

在设计中，草图是设计思维和交流的重要工具，草图设计历来都是创作的首要步骤。基于草图的交互方式符合概念设计初期用户的认知习惯，通过自由的手绘勾画可支持用户连续的、个性化的思维表达。

作为一种自然、快速表达设计意图的设计方法，草图式三维造型方法有效地提高了三维造型的效率和性能，改善了人机交互方式。计算机支持的手绘草图工具在手绘草图和基于计算机的建模程序之间架起一道桥梁，它综合手绘草图和电脑造型的各自优势，一方面为设计创意表达提供了一个智能、自然的草图设计界面，同时又能识别与理解草图，在此基础上进一步实现快速的三维建模。

基于草图的设计方法，我们研发了简单易学的三维动漫设计软件EasyToy[5][6]，如图1所示，软件包括两个模块：三维造型软件与开版软件。三维造型软件用于设计动漫形象的立体造型，可以将动漫形象的平面设计图快速转换为立体的动漫造型，实现二维到三维的转换。开版软件用于设计动漫玩具的二维纸样，采用电脑自动展开的方法将三维曲面展开为二维平面，实现三维到二维的转换。基于设计的二维纸样裁剪布料后，可以制作成动漫玩具。

图1 EasyToy三维造型软件和开版软件界面图

造型软件的基本操作是输入平面的轮廓线，直接生成三维模型。软件的大部分操作都采用平面的方式实现三维的操作。通过一系列的操作组合，可以生成复杂的三维动漫玩具模型。

与传统的造型系统相比，EasyToy软件有两个明显的优势：

首先，软件操作都是用平面的方式完成的，就像在平面上绘画一样进行三维造型，使得软件简单易学；而传统造型系统的三维造型操作都是在三维空间中实现的，要求设计者有很强的空间想象力，使得一般的用户很难使用造型系统进行造型。

其次，系统界面简单，操作直观。每一个操作都是用最简单的方式实现的。比如，生成回转体时，只需要绘制一根大致对称的封闭线就可以了。而传统造型系统的界面设计和操作步骤非常复杂，对学习和掌握系统的使用带来很大的难度。由于其简单易学的特性，对于没有三维造型经验的初学者也可以在很短的时间内学会并熟练掌握操作。

开版软件的工作流程如下：先在三维玩具模型的表面绘制缝合线，然后将三维纸样展开到平面上，自动得到二维纸样。传统的手工纸样设计方法，对设计者的空间想象力和实践经验有非常高的要求，需要很长的时间才能学好，并且要有多年的实践经验才能达到精通的程度。而电脑自动的纸样设计方法操作简单，可以在1-2个小时内就能学会基本操作。

通过EasyToy软件的学习，学生们可以增强电脑操作能力、三维设计能力、增强空间想象能力，理解基本几何体和图形变换（旋转、移动和缩放）的概念、空间与平面的关系，掌握3D动漫玩具的设计方法和技巧。

三、教学理念与课程设置

根据教育部印发的 《中小学综合实践活动课程指导纲要》，综合实践活动的学习目标分为价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等方面，其中“创意物化”和“设计制作”都是第一次提出，为创客教育留下了很大的空间。

本课程基于创意物化和设计制作的基本目标，立足学生的兴趣爱好，培养学生的综合素质，让学生实现自我探索与主动实践。同时，多元化的课程和个性化的教学能更好地促进学生的创新能力，让学生学习知识的时候，享受设计与制作的快乐，真正做到寓教于乐。

1.教学理念

本课程的教学理念包括三个方面：创意物化、课程多样化与教育个性化。

（1）创意物化

课程基于青少年对毛绒玩具的喜爱，以青少年喜欢的卡通动漫形象作为设计教学和手工教学的立足点。一方面，鼓励学生大胆构思，从日常生活中捕捉创作灵感，在特色教学工具的辅助下，手脑并用，灵活掌握设计技巧，更好地进行创意表达。另一方面，课程降低了创客教育的门槛，学校无需配备昂贵的教学设备也能开展创客课程，学生只需利用身边的工具，用简单的纸张、布片、针线就能亲自制作动漫玩具。

创意物化的目标是让学生学会知识迁移，基于生活提出问题，并通过自己的能力解决问题，最终以“物化”的方式服务生活。对学校来说，有良好的教育装备固然好，但对学生来说，掌握设计制作的要领才更为重要。课程将学生们的创意和玩具实体相结合，教给学生一整套的设计制作方法，教他们如何运用工具，并结合具体工艺（包括信息技术）进行玩具设计，让学生们可以动手操作，将自己的动漫设计方案最终转化为极富特色的3D玩具，并制作出玩具实物。

（2）课程多元化

课程立足于3D动漫设计，主推创客模式下的“设计制作”。设计制作本身就非常适合启蒙教育，在这个过程中，学生需要融合各类知识和技巧，将书本上学到的知识进行综合运用，最终才能完成设计。

本课程正是基于这样的教育需求，综合了美术、设计、计算机、数学、科学、手工缝制等多门课程，利用简单易学的3D软件，结合平面绘画和手工，教学生们亲自动手设计，并制作出动漫玩具，综合提升了学生的绘画、动手、计算机操作、空间想象等基本能力。在设计构思过程中，提升学生的审美与艺术水平；在纸样设计过程中，增强学生的立体空间概念；在手工制作的过程中，培养学生的耐心和手工制作能力；在创意展示环节，促进学生的协作意识和团队精神。

课程不仅综合了中小学开设的传统课程，也可以和其它创客课程结合，衍生更多创意。例如，3D设计软件导出的模型可以和3D打印课相结合，让学生创作出更多样化的模型。此外，本课程和青少年的STEAM课程结合，让学生将电子芯片安装在设计制作的毛绒玩具中，创造出更加有趣好玩的玩具。

（3）教育个性化

课程打破了传统手工课程的僵局。传统手工课往往会提供给学生现成的材料包，课堂上学生们做出的成品大同小异。传统手工课虽然可以让学生掌握制作技能，却无法满足学生差异化的个性需求。

本课程最大的特色就在于学生可以完全实现个性化创意与制作。借助特色的教学软件，学生们可以直接创作独特的3D模型，使用配套的开版软件，开版出平面纸样，最终缝制成动漫玩具。

整个过程包括了3D模型的体与面的合成与展开，提高了学生的空间想象力，加深了学生对平面、立体几何构造的理解，对学生今后的空间几何学习有良好的促进作用。最重要的是，它满足了学生个性化发展的需要。在掌握基本技巧后，学生可以灵活运用软件，设计任何想要的造型。课程丰富了他们的创意表达方式，也激发了他们源源不断的创作灵感。

2.课程内容

课程的基本框架基本是围绕 “设计+制作+展示”来展开。图2是课程内容的基本框架。设计课分为2D手绘课和3D建模课，制作课分为纸样开版课与手工缝制课。手绘课以绘画教学为主，让学生掌握动漫形象的绘制技巧；3D建模课教学生如何使用EasyToy软件、如何在3D空间构建出期望的玩具模型。

图2 课程内容框架图

制作毛绒玩具之前，学生需要学会使用软件对玩具模型进行开版；开版好的纸样打印出来后，学生就可以根据纸样裁剪布片，进行手工缝制与装饰，最终获得自己期望的毛绒玩具。

（1）设计建模

手绘课程以简笔画入门，教会学生们基本的绘画技巧以及卡通造型三视图的绘制技巧，简笔手绘课既是学生设计学习的第一步，也是能最直接表达其设计思维的方式之一。学生掌握了基础的轮廓造型方法后，会学习如何绘制动漫形象的姿态和表情以及简单的动漫服装设计和颜色搭配。课程通过色彩和造型的教学对学生进行艺术与审美的熏陶，在传统美术课的基础上融入工程制图中的三视图画法，将空间思维渗透到美术课的学习中，激发了学生的空间想象力，为后续的3D教学做铺垫。

在3D建模课上，学生用3D动漫设计软件Easy-Toy来进行立体建模。在这个环节，学生不仅可以熟悉计算机操作，更能加深对数学中几何知识的理解。学生们可以获得从点线面到空间几何体（球、锥体、立方体）的基本认知，加深对对称、旋转和平移等数学概念的理解。

软件的亮点在于曲线造型，通过灵活的曲线造型，学生可以进一步体会到几何建模的乐趣，对今后的几何学习起到更好的促进作用。这个阶段让学生学会在不同的视图中观察并建立物体模型，以草图式的轮廓绘制方法让学生轻而易举学会设计，提升课堂的趣味性，激发学生的兴趣，提高自主学习的积极性。

（2）动手制作

在制作环节，由于立体模型的制作有别于平面剪裁，学生们会了解到动漫玩偶的制作工艺，通过纸样开版探索体与面之间奇妙的联系，在学习新技能的同时让学生进行独立思考。

比如，探索同一个几何物体的多种展开方式，缝合线的长短对曲面形状的影响等。专业的开版流程虽然复杂，但作为启蒙课程，课程并不会把重心放在开版本身，而是根据学生自身的能力进行教学，让大部分学生能够掌握基本几何形体的开版技巧。整个开版流程是让学生对体与面之间的转化能有更深层次的理解，也是进一步拓宽学生空间思维的实践环节。

在手工DIY环节，学生会接触到各种材质的布料，了解布料工具的属性和生活中的实际应用，掌握基本缝制技能，学会基本针法和基本缝制技巧。缝制可以采用手工方式，也可以使用缝纫机。作为民族传统手工艺之一，缝制课程恰好可以借助“传统手工艺进校园”活动在各大中小学开展，弘扬中国传统文化的同时，又提高了学生的动手能力。除了基础缝制，学生也可以废物利用，发挥创意，将身边的纽扣、别针等做成创意装饰，变废为宝。

（3）互动展示

课程始终贯穿互动式教学，每节课教师都会对学生的作品进行点评，学生之间也会有小组互评。学生间互相竞争、互相激励，营造良性循环的活力氛围。只有改变传统课堂学生被动接受知识的方式，学生才能真正拥有积极主动性，创造性和创新性才会被激发。

作为一门综合实践课，课程培养的不仅是学生的技能，而且培养了学生的表达能力与协作能力。小组作业的形式让每个学生独立完成自己作品的同时，也能帮助他人解决困难。在最终的展示环节，学生们会用他们做出来的毛绒玩具进行创意展示。学生们可以通过话剧、讲故事等多种形式进行创意展示，提升口语表达能力、舞台表现力等，从合作表演中获得快乐和满足。

四、课程实践

为了探索与验证新的教学形式和教学方法，我们用三种不同形式的课程进行教学试点与课程调研：①线上宣传与线下亲子活动，开设玩偶DIY体验课；②与周边小学合作，在杭州当地学校的科学兴趣班进行试点教学；③在有“毛绒玩具之都”美称的扬州，与当地维扬实验小学北区校合作，面向三、四、五年级学生连续开设3期（每期6天）的3D动漫设计暑期夏令营。夏令营不仅培养了学生的综合实践能力，而且弘扬了当地特色产业文化。截至目前，我们研究的实践对象已经覆盖了5-14岁近200名城乡中小学生。

不同于传统的课堂教学，创客课程更侧重于让学生在实践中掌握多样化的知识，教会学生从设计构思到手工制作一整套的综合实用技能，让他们学会如何用不同的形式表达创意，在技能的学习中激发潜能。

本次实践课程尤其注重培养学生个人能力以及和与其他成员的协作沟通能力。在合作与沟通中，学生独立设计并完成作品，从中获得成就感与满足感，真正做到以乐促学。

依据课程的设置，课程内容包括简笔手绘、计算机建模、纸样设计、手工制作和创意展示等几个环节。课程以动漫设计课开篇，教会学生卡通玩具的设计方法，然后采用3D造型软件和开版软件设计立体模型与二维纸样，然后手工缝制玩具实物，最后让学生按小组或个人进行作品展示，以故事或话剧的形式展现自己设计玩具的独特之处。

针对拥有不同基础、不同性别和不同年龄段的学生，我们拟定不同的教学方案进行创客课程教学，以满足不同学生的需求。图3展示了课程实践的部分图片。针对不同的学生，我们除了对课时划分和课程内容进行调整，也考察了学生对计算机建模的能力，以改进教学软件。

实践结果表明，随着计算机教育的普及，小学生们普遍具备基本的计算机操作能力。小学二年级以上的学生几乎都可以很灵活地操作计算机进行三维建模，而低龄儿童的操作能力因人而异。

在扬州的试点夏令营主要针对的是三、四、五年级的学生，高年级学生大多已经在数学课上接触过平面几何与空间几何的相关知识，再加上熟练的计算机操作能力，表现出了明显的优势——学生们基本上都能在规定时间内将自己设计的手绘稿建出三维模型。由于教学软件EasyToy是基于草图的造型技术，学生很快就可以掌握建模的基本操作。

通过案例的模仿与练习，学生基本在两天内就可以掌握从基本几何体到简单的卡通造型的建模技巧。根据教学反馈，学生们普遍对电脑建模环节最感兴趣。大部分学生表示，建模环节虽然很有挑战性但很有趣。对于其它环节，学生们的偏爱程度各不相同，但大部分学生都表示，整个课程很有趣，学会很多新技能，设计并制作出自己的作品很开心。

图3 课程实践案例图片

五、结论与展望

基于自主研发的3D动漫设计软件，我们将青少年喜爱的动漫玩具贯穿整个3D动漫设计创客课程的学习，通过手绘、建模、开版、手工、创意展示等有趣的课程内容，引入美术、数学、电脑、设计等课程的知识点，培养了学生的综合素质与能力，真正做到寓教于乐。

3D动漫设计创客课程是一门全新的课程。到目前为止，我们还只是做了初步的探索。随着课程的深入应用，课程、软件及教学将会被不断改进与完善。结合中小学校的创客空间和综合实践活动课，我们整合浙江大学科研团队的技术力量与一线教育工作者的教学经验，聚集先进的3D设计技术和系统的创客教学课程，为中小学创客教育注入新鲜的血液，吸引更多的学生和教师参与到3D动漫设计创客的教育中，努力培养更多未来科技设计需要的复合型人才。