「實用紀錄」：製造科學視覺化動畫

本文轉自：紀錄公社 Jilu Commune

12月28日，我們舉辦了第十九期紀錄Talk“「實用紀錄」：製造科學視覺化動畫”，邀請到了同濟大學藝術與傳媒學院助理教授莊沐楊與中國科學技術大學藝術與科學研究中心特任副研究員李浩東分別從電影史與微觀結構科學視覺化的角度分享動畫與科學的淵源、創作例項以及對跨學科創作的思考與期待。以下為講座影片的部分文字整理，供大家參考，完整講座請點選下方影片連結。

莊沐楊

莊沐楊老師探討了中國科教電影與動畫的關係。他回顧了中國動畫的發展歷程，特別是實用動畫在科教片中的應用，強調動畫作為知識傳播的媒介。科教電影不僅服務科學教育，也反映了時代背景和文化交流，涉及視覺現代性、民族風格等議題。

動畫的實驗與實驗的動畫

我的學術背景主要是藝術學理論，涉及電影研究。科教電影的研究是基於現階段電影研究領域的現狀展開的。目前在這個領域對科教電影感興趣的人相對較少。我在博士期間研究中國動畫，過程中接觸到了一些不同於大眾熟悉的動畫作品，於是開始關注中國動畫的多重面向。

在科教電影中存在大量與動畫相關的歷史材料，因此我首先對科教電影中的實用動畫進行了一些梳理。例如，提到中國動畫研究，通常會涉及中國第一部動畫長篇《鐵扇公主》（1941）和上海美術電影製片廠創作的經典長篇《大鬧天宮》（1961）。國內外學界對中國動畫的討論常以顏慧與索亞斌的《中國動畫電影史》為權威文獻，該書重點探討了美術電影在中國動畫創作中的重要性，尤其是關於民族風格的問題。所謂民族風格的美術電影透過水墨、木偶、剪紙等形式創作出具有中國特色的藝術作品，例如《小蝌蚪找媽媽》（1960）。

△ 小蝌蚪找媽媽, 1960, 中國

然而，在我的博士研究中發現，許多動畫作品並不符合“美術電影”的傳統定義。例如，科教電影中的電視動畫和科普動畫，代表作品包括《知識老人》（1994）系列，這是一部面向兒童的科教電影，改編自同名作品，結合卡通片特質，成為一種不同型別的動畫形式。此外，《七色花》（1991）改編自蘇聯民間故事，由北京科學教育電影製片廠製作，而非傳統的上海美術電影製片廠。這類作品表明，從上世紀50年代中期到90年代中期，中國的動畫創作實際上超越了單一的美影廠模式，涉及更多製片廠的嘗試。

這些例子激發了我對中國動畫與科教電影關係的進一步思考。科教電影中的動畫場景多屬於“實用電影/實用動畫”，即“Useful Cinema / Useful Animation”，這一概念源於英文學界的相關研究。學者Malcolm Cook、Michael Cowan和Scott Curtis 認為，這類動畫往往由集體創作或匿名完成，目的是服務於教育或技術說明，而非強調作者性。這種動畫的研究涉及視覺現代性、手繪影像的電影化等議題。(Useful Animation: Iconography, Infrastructure and Impact)

從50年代中期到90年代中期，大量科教電影中包含動畫場景，90年代後，北京科學教育電影製片廠併入中央電視臺，上海科學教育電影製片廠併入上海廣播電視體系。電視教育動畫及80年代後期計算機技術的應用都對中國動畫的發展產生了深遠影響。

在國際學界，關於實用動畫與電影的研究已相當成熟。相關討論往往涉及科學技術史、大眾教育、電影與媒介的關係。例如，《Films that Work》和《Films That Work Harder》兩本書系統地探討了工業電影及其實用性議題。在Charles R. Acland, Haidee Wasson主編的《Useful Cinema》中，對實用電影的定義更為明確。學者Scott Curtis的研究也強調動畫作為視覺建構工具的重要性，尤其是在知識生產和科學傳播中的作用。

美國與蘇聯在冷戰時期50年代中期幾乎同步展開科普與科教電影的製作。例如，蘇聯的鐵路隧道科教電影利用動畫場景還原火車執行原理，而美國科教電影則透過動畫介紹電晶體技術。

△ Canal Railway, 1955, USSR

△ The Transistor, 1953, United States

中國的實用動畫案例則主要透過科教電影體現。相關學者如Rui Kunze & Marc Andre Matten指出，中國在新中國成立初期透過科教電影實現了國際交流，展示了特效電影在科學普及中的關鍵作用。這些動畫不僅是知識傳播的工具，更影響我們對客觀世界及科學知識的觀看與理解。（Knowledge Production in Mao-Era China Learning from the Masses）

以改革開放後兩部具有代表性的科教電影為例：《地殼運動》（1979）和《膽結石的奧秘》（1981）。這兩部影片都大量使用了動畫場景。由於當時技術條件的限制，例如難以拍攝太空視角下的地球影像，製作團隊選擇透過動畫或模型的方式進行定格動畫嘗試，將科學知識進行視覺化。《膽結石的奧秘》則涉及人體器官和病變問題，也採用了動畫技術來呈現這些複雜的醫學知識。

△ 膽結石的奧秘, 1981, 夏振亞

△ 地殼運動, 1979, 韓韋

研究過程中，我發現這些動畫的視覺風格與我們小學、初中教科書中的插圖風格非常相似，這一套視覺語言在當時被廣泛沿用。儘管從學術角度來看，科教電影中的實用動畫可能顯得枯燥，但深入研究後可以發現它們的獨特價值：

實驗性的探索：科教電影廠的動畫師常利用動畫還原實驗場景，並嘗試一些新的拍攝技法。這些實驗性工作為科學傳播提供了創新的可能性。

實驗動畫的萌芽：在1980年代中後期，儘管科教電影是一個主流且官方的電影生產體系，其中也開始出現一些具有個人風格和實驗性質的動畫作品。這些實驗動畫在某種程度上突破了傳統動畫的範疇，為動畫創作注入了新的生命力。

（餘下講座以提綱形式展現，完整內容請檢視影片）

1.早期中國動畫與科教片

介紹中國動畫及科教片的發展歷程，提到萬氏兄弟與南京國民政府的合作嘗試，和新中國成立初期動畫教育的興起。1949年後，科教電影逐漸成為獨立型別，服務於科學研究和普及知識，創作上受到蘇聯影響。1960年代，科教電影迎來黃金期，湧現出大量影片及先進拍攝技術，推動了知識傳播。

2.製造社會主義科教片

分享社會主義科教片例項《小太陽》，該影片講述在嚴冬中為農業生產尋求解決方案的大膽構想——創造一個小太陽。他們的夢想與反物質的科學知識結合，展現了科幻色彩。影片的製作背景也反映了當時資源短缺的困境和拍攝技術的創新，標誌著科教電影的探索與發展。

△ 小太陽, 1982, 王敏生

3.80年代科教電影變革

以早期天氣預報的視覺效果和經典科教片的製作為例，展現中國科教電影在80年代的發展與變化加速，特別是動畫技術的應用。夏振亞等導演嘗試將定格動畫、微觀攝影融入科教片，創造出既實用又具先鋒性的作品，反映了科學傳播與文化表達的交織。

△ 冠心病, 1982, 夏振亞

△花, 1990, 夏振亞

4.實驗動畫與社會變革結合

介紹劉左鋒導演兩部與環保和動物保護相關的影片。第一部《綠草地》以定格動畫的形式強調環保議題。第二部《倒置》則在技法上更加多樣，聚焦於動物保護。兩部作品都具有深刻的社會意義，值得觀眾關注與思考。劉左鋒的創作背景、動畫技法及其在80年代的文化環境中的位置，指出其在動畫實驗上的獨特性。隨著技術的發展，特別是CG特效的崛起，傳統動畫手段逐漸被取代，帶來了新的媒介研究視角。

△綠草地, 1990, 劉左鋒

△倒置, 1990, 劉左鋒

李浩東

李浩東老師講述了科學視覺化與藝術創作的結合，分享了自己從科學研究轉向視覺化藝術的經歷，強調微觀世界的重要性。他介紹了顯微鏡技術和計算機繪圖如何幫助理解微觀結構，同時指出科學與藝術之間的交流與合作的必要性。

見微知著：微觀結構視覺化

今天我分享的主題是“見微知著”，這一成語的原意是透過觀察細微的跡象，瞭解事物的本質或發展趨勢。而在這裡，“微”代表的是微觀世界，特別是微米和奈米尺度的世界，這是我們日常生活中很難直接接觸到的；“著”則包含“著作”的含義。我希望透過這個主題，能夠激發在座各位，尤其是從事影視創作的朋友，在創作中找到一些靈感。

我簡單介紹一下自己的經歷。在過去將近二十年的時間裡，我的職業生涯可以分為兩個階段。第一個階段是從2006年到2017年，這段時間我在復旦大學高分子系學習，並從事科學研究；第二個階段從2018年開始，我全職投身於科學視覺化工作，在杭州創立了一家公司，為科研人員提供視覺化服務，其間還與上海有機所合作開展了一些專案。今年10月，我正式加入中國科學技術大學的藝術與科學研究中心。在我的職業發展中，有兩個重要的轉折點。第一個轉折點是2017年，我決定從科學研究跨界到藝術創作，這對我來說是一個全新的領域；第二個轉折點發生在2024年，我逐漸認識到科學與藝術之間的緊密聯絡，也意識到它們協作後可以催生出許多有意思的可能性。這也是我今天來到這裡分享的一個重要原因。

談到微觀世界的觀察，我們需要依賴不同的工具。在小時候，我們可能用放大鏡觀察過昆蟲的毛髮，這種觀察能夠讓我們看到小至0.1毫米的物體；到了中學，生物老師會教我們使用光學顯微鏡，可以觀察到細胞、病毒以及花粉顆粒等，尺度通常在幾百奈米左右。進一步的微觀觀測主要用於科學研究，比如我在研究生階段使用的電子顯微鏡，它能夠看到奈米級甚至原子級別的結構。我為大家展示了幾張實驗圖片，這些圖片分別來自光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，表現了微米到奈米尺度上的不同形態。舉例來說，第一張圖片展示的是微乳液的結構，液滴的直徑大約在幾百奈米到一個微米之間；第二張圖片是奈米顆粒組成的網路結構，這些顆粒的直徑僅有幾十奈米；最後一張圖片是單個奈米晶體，圖中標尺為一個奈米，顯示的是原子的真實大小。

△ Optical microscope

△Scanning electron microscope, Chem. Commun. 2015

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

在化學材料領域，科學家透過不同的原料和工藝製備出各種微觀結構。這些結構往往需要透過視覺化手段來呈現，尤其是在發表論文時，需要用影像清晰地表現材料的製備流程或結構特徵。而對於分子層面那些無法直接觀測的結果，也必須依賴科學視覺化。這也是我最初接觸科學視覺化領域時所從事的工作之一。

科學視覺化的意義非常重要。它不僅在科學研究中發揮作用，同時也廣泛用於教育、學習和科學傳播。例如，早在20世紀80年代，錢學森先生就曾呼籲文藝界用作品描述科學世界。2019年，《Nature》雜誌的一篇文章中提到“科學本質上是一種視覺上的努力”。這一觀點與歷史上的許多探索相契合，比如17世紀初顯微鏡剛被髮明時，英國科學家虎克出版了《顯微圖譜》，透過顯微鏡觀察植物細胞並手繪成冊。如今，隨著技術的進步，顯微攝影已經發展為一項成熟的技術。以“美麗科學”團隊為例，他們在顯微攝影領域做了大量卓越的工作。2019年，他們為美食紀錄片《風味人間》拍攝了一系列微觀畫面，其中包含了許多精彩的細節呈現。

△Robert Hooke, Micrographia, 1665

在計算機繪圖軟體流行之前，手繪和顯微攝影是科學視覺化的兩種主要方式，也是最直觀的方式。然而，這兩種方式都存在明顯的侷限性——它們容易受到觀察手段和尺度的限制。對於無法直接觀察到的事物，視覺化需要依賴計算機輔助設計，並結合基於科學推測的合理想象。這種結合不僅為科學研究提供了新的視角，也為藝術創作開闢了更多可能性。

△ Stable Diffusion, 量子糾纏, 神經網路模型AI創作

最近幾年，AI 創作在某些科學影像的繪製上已經展現出了非常不錯的藝術效果。個人來說，我是從三維軟體自主創作的角度切入科學視覺化領域的，所以接下來會分享一些相關的內容。這張圖是當時我們實驗室一位師兄在論文中畫的一張示意圖，用三維軟體完成。這大概是我剛讀研究生時看到的作品。當時，三維軟體在化學材料領域中的應用還不算成熟。這張圖描繪的是 DNA 分子，也就是中間那條線，纏繞在一些球形膠束的表面，模擬了染色體的一種結構。

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

當時我剛進入實驗室，對這些內容感到新奇，於是找了些相關資料研究。關於染色體，這裡有兩張國外繪製的插圖，它們和教科書中常見的示意圖有很大的不同。國外插圖的細節更加豐富，藝術效果也更為多樣化。當時我就很好奇，這樣的圖究竟是怎麼畫出來的？

△National Human Genome Research Institute

後來，我看了一段動畫，這段動畫真正讓我感受到了科學視覺化的魅力。這段動畫是美國 XVIVO 團隊和哈佛大學合作製作的，主題是細胞內部的生命活動。我當時第一次看到時，腦海中只剩下“震撼”兩個字。這大概是 2012 年的事，那段動畫剛剛製作完成不久。動畫完全依賴 CG 技術呈現，而如果用傳統的拍攝方式是完全不可能實現的。整個團隊和哈佛大學的研究人員合作，花費整整一年時間製作了約 10 分鐘的動畫，而我只播放了其中的一小部分。

△The Inner Life of the Cell ©XVIVO

動畫的內容展示了細胞生物學的知識，比如微管上的蛋白質分子行走的情景。蛋白質就像一個“小人”在微管上移動，這種過程在我們體內的細胞中是真實發生的。這一畫面深深吸引了我，因為它將課本上的抽象概念變成了直觀的視覺體驗，帶來的震撼和理解感受是完全不同的。真正開始科學視覺化創作，要到 2017 年左右。當時，我剛從事材料科學研究，於是以微觀結構為切入點創作了許多相關影像。為了分享經驗，我還創立了微信公眾號“3D 科研繪圖”，專門教科研人員繪製各種微觀結構圖。當時這方面的資源在網上幾乎是空白，所以對我來說既是一個挑戰，也是一個機遇。幸運的是，我對這方面非常感興趣，也一直堅持下來，並最終組建了專門從事科學視覺化的團隊，取得了一些成績。接下來，我會舉一些具體的案例，探討如何將科學視覺化與不同藝術形式相結合。

（餘下講座以提綱形式展現，完整內容請檢視影片）

1.微觀與藝術的侷限

目前微觀結構的視覺化與藝術形式，兩者之間的協作仍顯侷限。雖然一些紀錄片和科技新聞中涉及微觀事件，但大多數影視作品仍從宏觀視角出發，微觀相關的畫面較少。講述者提到了汪詰老師的《尋覓自然》系列，反映了科學與藝術在表現微觀世界時的溝通隔閡，強調科學準確性在科普影視中的重要性。

△ 尋秘自然 01 生命起源,汪詰 & 蘇世斌 ©科學聲音

2.早期分子結構模型

回顧早期分子結構模型，計算機圖形軟體尚不發達的時段。科學家手工製造血紅蛋白的模型，其中每一個小球代表了一個分子，搭建需要耗費一到兩個月的時間。模型最終被歸入裝置藝術，儲存在美國曆史博物館。

△ Myoglobin Protein Model, 1965

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

3.細菌結構的藝術探索

以細菌鞭毛馬達的複雜結構為例，展現自然界的藝術創作。這種微小的“發動機”轉速極快，且無需燃料，僅依賴離子濃度驅動。科學家與藝術家合作可以透過藝術形式使科學視覺化更具吸引力，提升公眾對科學的理解。科學與藝術之間的聯絡被強調為相輔相成，值得深入探索。

△ Flagellar motor from RCSB

對談環節

△ 莊沐楊老師（左）與李浩東老師（右）對談

李浩東：關於科教電影，我不知道早期在國內是否備受歡迎。但現在看來，可能由於媒體的高度發達，大家接觸到的影片內容種類繁多，科教類內容似乎不再是重點。因此，像汪老師的科教電影能夠進入電影院上映是一件非常難得的事情。他為此付出了大量精力。那麼在今天這個時代，科教電影的發展應該朝什麼方向走？是否可以嘗試一些新的科學教育形式？您的看法是什麼？

莊沐楊：關於科教電影的討論，放到今天似乎更偏向一種歷史性概念。比如汪老師的作品，他除了在院線發行，也製作了電視紀錄片。這表明，在院線放映之外，電視媒介仍是不可忽略的一環。

在1994年之前，國內的科教電影廠是一個完整的生產體系，涵蓋生產、發行和放映環節，具有很強的針對性。例如，小學時代我們可能會被組織觀看科教片，這是一個固定的傳播路徑。而現在，這種路徑已經不存在。今天較為理想的方式是，透過紀錄片形式將科教內容與文化敘事相結合，比如《舌尖上的中國》和《超級工程》這樣的作品，它們既包含科普內容，也融入了文化共鳴，具備傳播效力和觀眾基礎。

但當前最重要的問題，是短影片對媒介環境的改變。如何利用短影片傳播科普內容，是一個值得探索的方向。另外，科幻電影也提供了一些傳播科學知識的可能性。例如，《侏羅紀公園》或《蜘蛛俠》中涉及的科學片段，這些片段儘管可能是娛樂化的，但可以成為吸引觀眾關注科學的契機。總的來說，推動科學傳播的嘗試仍非常困難。所以，汪老師的兩部科教電影能進入院線，是非常了不起的成就，因為連普通紀錄片都很難做到。

李浩東：這確實需要綜合考慮觀眾、影院、發行方等多個層面的因素。

莊沐楊：沒錯，還包括相關主管部門的審查等多方面內容。而且，以往科教片面向中小學生為主，但現在學生們透過其他途徑獲取知識的渠道非常豐富，未必會選擇看這些傳統內容。這表明媒介生態的變化已經對科學傳播提出了新的要求，科普工作者需要嘗試更多變化。

李浩東：還有一個值得探討的點是科教電影中的美學問題。現在觀眾的審美水平提高了很多，教育部也在提倡美育教育。那麼，在科學傳播中，美學的作用和價值是否同樣重要？

莊沐楊：美學確實很重要。近期有人提到“科藝融合”，即科學教育與藝術的結合。這個話題讓我思考不少。我認為目前的討論多聚焦於技術層面，例如如何利用AI等技術手段實現藝術化表達。然而，在上世紀80年代的科教片創作中，他們對“藝術性”的討論是深入且複雜的。當時創作者需要論證，追求藝術性並不會削弱科學知識的傳播效果。因為如果被批評“注重美感但忽視科學性”，他們的努力會被完全否定。

比如1982年的《冠心病》，透過直觀展現心臟跳動來吸引觀眾，這種視覺效果不僅僅是“美”，而是透過感官體驗喚起觀眾的好奇心和求知慾。當時還有一種擔憂，即過度強調主觀表達會被認為是政治上的不正確。創作者不得不論證，科學傳播與美學結合的合理性，以及如何透過視覺美感促進科學知識的理解。

李浩東：科學的美學可能與自然風景的美學不同，但它同樣震撼人心。例如，國內的醫學視覺化團隊“一目可視”透過技術手段展現心臟內部的血管細節及瓣膜運動，會讓人感到科學的美。這種美來自對真實世界的細緻展現。

莊沐楊：沒錯。比如疫情期間，新冠病毒的影像首次公開時，很多人被它的真實結構所震撼。這種視覺化不僅具有科學價值，也透過視覺衝擊激發了大眾的興趣和關注。

李浩東：《絕對好奇：細菌戰場》（Curiosity: Battlefield Cell, 2012) 紀錄片讓我印象深刻，它擬人化地展現了細胞內部活動。故事講述了外部細菌入侵細胞後，細胞內部物質如何協作抗擊入侵，最終消滅細菌。這種方式不僅科學性強，還具備完整的敘事結構。我認為，這類作品不僅需要科學家的專業支援，也需要藝術創作者的參與。

莊沐楊：您提到的這些例子讓我想到過去的一些科普創作。比如，五六十年代的科普刊物中，已經開始透過影像漫畫等形式解釋抽象的科學概念。這些影像在傳播科學知識的同時，也承擔了講故事的功能。在科教電影的創作中，美學的討論不僅僅是技術、形式或風格的問題，而是透過視覺與敘事結合，把複雜的科學概念轉化為可理解、可感知的故事。

（以上對談內容為節選）