摘 要：本文介绍了虚拟机能实验的概念，分析了虚拟机能实验与传统机能实验的利弊。在此基础上，阐述了虚拟机能实验系统的功能和实际应用情况。结果表明用虚拟机能实验进行合理的替代传统机能实验可以有效地提高实验的效果，是对传统机能实验的有益补充。然而因虚拟系统无法完全模拟生物复杂的生命活动，所以对于研究性实验来说虚拟机能实验是无法替代传统机能实验的。
关键词：虚拟机能实验；传统机能实验；利与弊
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0191-02
在医学、药学和生物学研究中，传统机能实验是不可缺少的一部分。每一种新药的研究都需要大量的动物来进行毒理、药理、副作用等各方面的研究；每一个生理系统调节机制的研究也需要大量的动物。所以传统机能实验对实验动物的需求量很大。所以在人道主义原则下，传统机能实验是有争议的。再加上实验成本、实验动物尸体的处理等等问题使得虚拟机能实验得到了广泛应用。
1 虚拟机能实验概述
《医学机能学仿真实验室》以计算机虚拟现实和数码仿真技术为核心，生物仿真引擎、处理因素數据库、虚拟环境界面等多种技术为支撑的虚拟现实系统。该系统由仪器介绍、手术操作、仿真实验、实验自测和药物考核等5大模块组成。在计算机环境中建立的虚拟实验环境使实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备， 对“实验动物或标本”进行虚拟操作，完成各种预定的实验项目，起到学习训练的作用。该系统由于不受试验动物、试剂的制约，特别适用于开放实验室。学生在预习、复习或拓展训练时采用虚拟实验比实时实验有更大的优越性。虚拟实验室在教学方法和手段上开辟了一个新的领域[1]。《医学机能学仿真实验室》的主要技术参数包括。
1.1 动物与器械
系统按照目录结构查看实验的相关实验动物及实验器械，介绍实验动物的生理特性、生理常数、介绍实验器械的用途与使用说明。
1.2 仿真实验
虚拟实验环境中可查看实验的实验对象、实验试剂、实验器材、实验介绍、实验步骤、仿真实战及仿真实验。模拟各种药物对动物呼吸、血压、泌尿、张力等影响。
（1）生理实验。骨骼肌实验、期前收缩和代偿间歇、蛙心灌流、血压调节、呼吸调节、平滑肌特性、泌尿实验、神经干AP、膈神经放电、皮层诱发电位、微音器电位。
（2）药理实验。抗高血压药物实验、动脉血压综合实验、苯海拉明药效实验、药物急性毒性实验、磺胺半衰期测定、PH对药物排泄的影响、安定的抗惊厥作用、度冷丁镇痛作用、药物的协同作用、药物对高血压大鼠血压的影响、拟肾上腺素药与抗肾上腺素药的作用、拟肾上腺素药与抗肾上腺素药对麻醉大鼠的影响、传出神经系统药物对狗血压的影响、有机磷酸酯类的中毒与解救等等。
（3）病生实验。水肿、乏氧性缺氧、失血性休克、急性右心衰竭、急性呼吸功能不全、白鼠CO中毒实验、白鼠亚硝酸钠中毒实验。
（4）其他实验。人体动脉血压测定、人体心音听诊、蛋白质薄膜电泳、琼脂糖浆凝胶电泳检测重组质粒、小鼠肝脏RNA提取等等。
（5）仿真实验部分要求留有接口，用户自定义特色仿真实验，其中包含对实验对象、实验试剂、实验器材、实验介绍、实验波形曲线均以独立添加、更新、删除，对药物及其药效进行自定义的维护。并支持诊断学虚拟实验室形态学虚拟实验室。
（6）仿真系统对波形可以进行标尺度量、进行横向纵向的压伸处理和速度等控制，模拟显示药物在体内的浓度变化，可以对药物进行换洗。
2 传统机能实验中存在的弊
在实验室中，传统机能实验对动物进行科学研究，以获得有关生物学和医学的新知识或解决具体问题。实验动物是传统机能实验不可缺少的材料，而在各种传统机能实验中通常存在以下问题：首先是成本问题。以一只家兔为例，现在我们在市场上买一只实验家兔，价格大概是人民币80元。而有的体型大或者质量要求更严格的实验动物，其成本甚至可以更高。为了在实验过程中获得准确的实验数据，我们通常采用数据对比的方法，这增加了在实验中使用动物的数量。此外，动物在采购回来后，喂养管理造成的物料、人工成本的支出也不可忽视。2018年上半年我院生理药理实验室在实验动物这一块的支出约8万元，这仅仅只是半年的消耗，还不包括动物管理、饲养、运输、以及动物尸体和其他废物的处理。其次是管理问题。为了保证实验结果的准确性，对于实验动物一定要确保其质量，才能满足实验的要求，这就对实验动物的喂养管理提出了较高的要求。我们国家对于实验动物的管理有着严格的条例规定，从饲养管理到检疫和传染病控制，必须符合条例规定才能用于实验。再次是传统机能实验的伦理问题。传统机能实验对生物医学的发展起到了重要的促进作用，但随着动物保护主义的兴起，传统机能实验受到了来自生态伦理学中动物权利论的挑战与压力。最后是实验废弃物的危害。在实验完成后，对于实验废弃物和实验动物尸体的处理也是一大问题，一旦出现处理不当，极可能出现不可预测的危害。
3 虚拟机能实验中展现的利
3.1 有效降低实验成本问题
实验动物是传统机能实验耗材成本的重要组成部分，由于动物保护、动物资源等各个方向的影响，该部分的成本在不断增加。虚拟机能实验可以有效地降低传统机能实验的成本支出。采用虚拟机能实验系统，虽投入不菲，但这是一次性的成本被投入，实际成本低于传统机能实验长期的成本。例如一个容纳30人实验的医学机能学仿真实验室的造价在30万左右，而我院2018年上半年在实验动物这一点上就花费了8万元，也就是说只需要不到两年，我院用于实验的动物总价就超过了一个医学机能学仿真实验室的造价。在此之上，省去了各个实验的实验器械、实验药剂、实验耗材的准备工作。通过虚拟机能实验，降低了实验成本，减少了动物的繁育，减少了实验的耗损和实验设备的损坏。
3.2 解决传统机能实验伦理问题
自19世纪中期产生的以动物实验为主要内容的实验医学问世之后，生物医学有了突飞猛进的发展。在动物实验为人类的医疗、科技發展乃至生活提供了大量的实验数据和利益的同时，动物保护主义也开始出现，并迅速发展起来。在这种情况下，我们不得不思考开展动物实验是否符合道德伦理规范，是否应该进行动物实验[2]。为了解决这一问题实验动物管理办法提出了“减少、替代、优化”三个原则，这些原则解释了虚拟机能实验是解决传统机能实验伦理问题的有效途径。虚拟机能实验虽不能完全代替动物实验，但可以有效地减少实验动物的数量，是传统机能实验的有效补充。
3.3 创造一个理想的实验环境
虚拟机能实验系统可以创造一个理想的实验环境。众所周知，实验环境对实验的准确性有着重要的影响，但在实际环境中创造一个理想的实验环境需要付出高昂的代价。这些可以毫不费力地在虚拟机能实验系统中实现。
4 虚拟机能实验系统应用的合理性
4.1 虚拟实验系统前期培训应用
对于医学生来说，医学机能实验是其进入医学院首次接触到的活体动物实验课程，对于部分学生来说，心理障碍和认知障碍是巨大的挑战。因此多数医学院在开展课程之前都会给予学生一段时间的缓冲期进行培训，从而使其在面对动物实验时尽可能多地降低心理障碍。虚拟实验系统在课前培训当中具有十分巨大的优势。在课程开始之前，教师组织学生前往虚拟实验室中，由教师结合实际经验将实验平台的相关资料、动物房、准备室等内容向学生一一进行介绍，同时在介绍当中可以适当地对动物学相关知识、生物信号的系统采集方法和手术器械的正确使用等进行讲解，使学生在第一次接触实验操作时更加清楚地了解到实验操作的各个层面，从而更加拥有自信和技术。
4.2 虚拟实验系统的实验课辅助应用
虽然虚拟实验系统相较于传统的方式有着长足的进步，但是在实验过程中，虚拟实验系统依然需要作为动物实验的辅助方式来进行。这是因为医学生在进行机能学习时需要遵循正常生理-疾病生理-药物作用这三个重要步骤，而动物实验当中所拥有的基本技能的训练和系统综合实验是最为直接也最为全面的方式。因此在实验当中，虚拟实验系统主要作为动物实验的辅助作用出现。在实践当中，教师可以利用ZH-XN系统中自带的影像系统对以往实验中的具体操作方法进行展示，从而省去了教师讲解的时间。此外在实际操作时，学生可以在虚拟实验系统中展开仿真实验，通过仿真实验当中各种情况的处理，学生能够充分掌握操作过程中各种注意事项，之后再参与到动物实验当中来。这样一来可以使学生在动物实验的过程当中更加得心应手，例如实验当中的重要难点减压神经放电的操作中，学生通过了虚拟操作之后，对交感神经、迷走神经的辨别已经有了一定的水平，在动物实验的操作中才能更加准确地寻找到神经位置，并进行刺激器的程控和手动操作。
4.3 虚拟实验系统的复习应用
在实验结束之后，学生需要对学习内容进行复习，以便实现对知识的巩固和加强。在复习当中，虚拟实验系统中的反复演练可以帮助学生对某些掌握得并不充分的操作手法和手术手法加以反复练习，从而达到完全掌握的目的。例如颈总动脉插管的方法，对于学生来讲是一大难点，多数学生反映在实际操作中无法准确地掌握手术手法。其根本原因在于实践操作的缺失，导致手术手法的不熟练[3]。在以往的实验中，实验的实际操作部分只能停留在课堂当中，在课后复习的过程中只有通过教材文字和自我印象进行了解和回忆，这种方式对于学生的成长很难起到作用。而虚拟实验系统的引入可以充分使学生拥有更多的操作机会，通过不断地手术实践，提升其技术能力。
5 结语
在虚拟机能实验系统的现行实践中，并不是所有的传统机能实验都可以被虚拟机能实验取代。在科研领域，虚拟机能实验只能是对传统机能实验的有益补充，减少被动实验的数量，提高一些实验环节或项目的效率和安全性。归根结底，虚拟机能实验只是一种手段。我们用传统机能实验代替人类实验。我们可以通过传统机能实验推断未知的人类反应变量。用虚拟机能实验代替传统机能实验，它只能适用于局部或某些特定方面，不能完全取代传统机能实验。至少，目前的技术水平还没有达到这个水平。一般来说，实验的类型可以分为验证、设计、操作和查询。不同的实验类型在实验原理、实验步骤和具体要求上有很大差异。虚拟机能实验可以满足验证实验的要求，但对于探索性实验是无效的。即使技术再高，也不可能用虚拟机能实验来探索未知的事物。
参考文献
[1]董晓青.基于虚拟实验的机能实验教学[J].课程教育研究，2018，（01）：240-241.
[2]胡淑婷，聂黎虹，周永忠，刘明明.医学机能实验学开放性实验模式的探索[J].卫生职业教育，2018，36（04）：47-48.
[3]蒋淑君，潘虹，刘红霞，王华，马中女.基于虚拟仿真实验平台的翻转课堂在机能综合实验教学中的应用[J].卫生职业教育，2018，36（07）：99-100.