高雄醫學大學醫學系生理學科 副教授
蔡克勵

虛實之間：實作與虛擬生理學實驗，哪一種比較好？

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  生理學是基礎醫學的必備核心科目，除了課堂上的講授之外，也需要配合實驗課來引導學生印證所學的生理機制及學理，因此各醫學院校都把生理學實驗列為必修課程。例如臺灣醫學院評鑑委員會公布的《醫學教育品質認證準則》之第 2.2.5 條明文提到，「醫學系的課程應包括：實驗或其他直接應用科學方法準確觀察生物醫學現象和數據分析判讀的操作機會」——此處所指的「實驗」，當然也包含生理學實驗。事實上，數十年來的醫學院各系所學生（包括筆者在內）只要修過生理學，必定都做過一些歷史來源悠久的經典生理學實驗，例如青蛙腓腸肌實驗、青蛙坐骨神經實驗，人類血液與血球實驗等等。

  西元 2000 年以後，由於資訊科技的快速發展，以及多媒體設備的更新，國內外愈來愈多大學院校開始將傳統實作的生理學實驗轉型為利用數位模擬軟體或是虛擬實境 (virtual reality) 介面來進行。除了教材的更新，這種轉型亦有其現實因素的考量，譬如：在醫學課程改革的浪潮中，生理學的授課時數被壓縮，虛擬實驗可以減少前置作業的時間與人力。而相較於傳統的實作實驗，虛擬實驗大幅度降低耗材與設備等支出，更是後者受到歡迎的主要原因。但是在另一方面，也有不少關注生理學教學與實驗教育的學者們對此現象感到不安。他們擔憂長此以往，學生只會把生理學實驗當成線上遊戲和電子玩具，對於真實的生物體愈來愈陌生，以至於在將來面對臨床情境時不知所措。

  為了掌握目前市面上常見的虛擬生理學實驗資源，筆者謹就個人所知，再搭配生成式人工智能工具進行地毯式搜尋，列表如下：

名稱	功能	用途	特點	費用	製造商
PhysioEx 10.0: Laboratory Simulations in Physiology	虛擬人體生理學實驗模擬軟體	適用於大學部生理學課程	涵蓋全部人體生理學內容：腎臟、心血管、呼吸、內分泌、神經生理學等領域	付費	Pearson
Virtual Physiology Series (SimNerv, SimMuscle, SimHeart, SimVessel, SimNeuron)	虛擬人體生理學實驗模擬軟體（神經、肌肉、血管、心臟、神經元電生理等）	進階生理學實驗軟體	配備完整虛擬實驗室（刺激器、示波器、電解液槽），可調整實驗參數並呈現真實反應	付費	Virtual Physiology / cLABs (Hans Braun et al.)
Labster – Anatomy & Physiology Virtual Labs	網頁版 3D 虛擬實驗室，涵蓋人體系統與生理學概念	適用於解剖生理學、生物學、健康科學課程	情境模擬結合理論講解、引導式探究與內建評估機制	付費	Labster
ADInstruments – Human Physiology Collection / Exercise Physiology / Anatomy Collection	線上生理學教學平台，提供結構化課程與實驗室	適用於大學部生理學實驗課程；支援實體與遠距教學	搭配實作儀器套件（心電圖、肌電圖、肺功能檢查等）及教材編輯工具，可整合現有硬體設備	付費	ADInstruments
McGraw Hill Connect Virtual Labs & Anatomy & Physiology Revealed	虛擬實驗室搭配互動式解剖生理學演示與測驗	適用於解剖生理學課程	系統專屬模組、3D 層次、測驗功能	付費	McGraw Hill
Pearson Interactive Labs – Anatomy & Physiology	網頁版人體解剖生理學虛擬實驗室	適用於大學部人體解剖生理學課程	整合學習平台與學習管理系統	付費	Pearson
Human Bio Media – Virtual Lab Simulations	免費線上人體解剖生理學虛擬實驗室	適用於基礎生物學課程；開放教育資源	開放存取，無需特殊軟體環境	免費	Human Bio Media
PraxiLabs	生理學與藥理學實驗	適用於大學健康相關領域課程；涵蓋範圍超越生理學	互動式 3D 虛擬實驗室、學習管理系統整合、評估功能	付費	PraxiLabs
VRLab Academy	虛擬實境科學實驗，支援生理學相關主題	適用於配備 VR 穿戴裝置的學校實驗室	沉浸式 VR 實驗；涵蓋生物學與生命科學主題	付費	VRLab Academy
HumMod	人類整合生理學大規模數學模型	適用於進階研究生的生理學課程	模擬跨器官系統的數千個參數；可用於情境建構	免費	HumMod Consortium / University‑linked
JustPhysiology (HumMod‑powered)	正常生理學與病態生理學之醫療情境虛擬教學介面	適用於醫療與健康專業課程	動態生理學的虛擬病患；案例導向學習	付費	Academic/industry collaboration around HumMod
AIBODY – real-time digital physiology platform	即時數位人體生理學模擬系統	適用於醫學及相關健康教育；虛擬病患情境	包括心血管、呼吸、代謝及其他系統的 3D 即時模型	付費	AIBODY

  以上表中所列舉的，都是廣泛涵蓋生理學課程內容的通用性虛擬生理學實驗軟體或網站。另有一些數位工具則是針對特定主題或者用途而研發的，例如：CardioLab – Cardiovascular Virtual Lab 特別針對心血管系統，模擬在不同藥物作用下的生理反應。HHsim Hodgkin–Huxley Simulators 則根據 Hodgkin–Huxley 模型，以數值模擬神經元的電生理反應。而 SimPatch 是一款廣泛受到電生理研究者喜愛的膜片箝制技術 (patch clamp) 模擬演練軟體。由於它們的用途特殊，也超過大學生理學實驗的需求，因此本文不多做贅述。

  誠然，實作與虛擬生理學實驗各有利弊與支持者。不過在探討這個議題之前，我們且先追本溯源，闡明「實驗」與「實驗課」這兩個詞彙的內涵與起源。眾所周知，現代實驗生理學之父是活躍於17 世紀的英格蘭醫師科學家威廉·哈維 (William Harvey, 1578-1657)，他確立了哺乳動物的血液循環理論。所以我們不妨根據英文字源來瞭解何謂「實驗」與「實驗課」？根據牛津英語字典，實驗 (experiment) 一字源自於拉丁文的動詞 experiri ，原意是測試或試驗 (to try or to test)，其現代科學意義便是我們常說的「為研究某種現象發生過程，並獲得新知識而進行的科學測試」。至於大學部的實驗課，英文通常寫成 laboratory，其拉丁文字源 laboratorium原意為工作場所 (a place for work)，後世特別用來稱呼「實驗室」。但是在大學課程中，它又進一步被用來代表「著重實作的實習課程」、「學生學習技術並操作儀器及處理數據的實務練習環節」。由此可見，大學課程中的「實驗課」，嚴格說來其實與現代科學研究所做的「實驗」有若干區別。但是因為中文用了同樣的兩個字，容易令中文使用者產生混淆，宜先予釐清。畢竟大學部的生理學實驗通常是為了印證學理、重現歷史上早已被發現過的生理機制，或是讓學生熟悉儀器的操作而設，學生幾乎不可能在實驗課中發現前所未聞的科學新知。而在此脈絡下的實驗課，也更符合前述《醫學教育品質認證準則》的條文精神。

  有了以上的基本認知，我們回過頭來看待有關虛擬生理學實驗的爭議，便可以獲致更為客觀公允的視角。舉例而言，針對模擬軟體的批評時常講到：模擬軟體並非真實活體 (in vivo) 實驗，因此學生無法體驗真正實驗的未知性與變異性，更無法從中發現新知識。然而這樣的批評恐怕是將前述的「實驗」與「實驗課」混為一談，忽略了大學階段的實驗課之教育目的並非探索新知識，而是要學生重現已知的學理及生理現象——即便在實作實驗也不例外。

有關虛擬生理學實驗，最常被提及的優點與缺點如下。

優點：

1. 成本效益和易用性：虛擬實驗減少了對昂貴的設備、試劑和實驗場域的需求，使其成為傳統實作實驗課的簡便替代品。
2. 倫理與安全的考量：由於不需要使用動物，軟體模擬自然避免犧牲動物的生命倫理爭議，更省下飼養實驗動物的龐大經費與人力。此外，它也免除了人體實驗（例如抽血）可能帶來的醫療倫理疑慮與生物安全隱患。
3. 靈活性和便利性：軟體模擬適用於遠距教學，提供學生和教師隨時隨地學習的機會。尤其在傳染病疫情嚴重情況下，一旦實體實驗室關閉時，虛擬實驗更是唯一的選擇。
4. 深化學習成效：與某些迷思相反的是，多數研究指出：就學生對於複雜生理概念的理解而言，虛擬實驗比起傳統實作實驗甚至更好。因為它允許反覆練習和事後觀察，而且不需要更多耗材。
5. 增進互動學習的樂趣：虛擬實驗通常結合類似線上遊戲的學習和互動元素，可以增加學生的參與度和學習動機。它促使學生的學習更積極，尤其是對於已經慣用資訊科技的新一代學生尤然。
6. 專注概念理解：軟體模擬讓學生更有時間專注於生理學的學理，而不會受限於實際操作的技術困難，從而增強他們對一些複雜概念（例如電生理學、血液動力學）的理解。

缺點：

1. 缺乏真正上手實作 (hands-on) 的經驗：軟體模擬欠缺觸覺反饋和手動技能，而後者在許多臨床醫學訓練中至關重要。對於未來需要精準靈活動手操作的專業（例如外科醫師、牙科醫師）而言，學生無法在基礎醫學階段得到此種練習，是一個顯著缺點。這也是虛擬實驗最常被人詬病之處。
2. 隔絕真實場景：雖然虛擬實驗室可以模擬真實操作的許多方面，它們畢竟無法完全複製真實實驗條件的複雜性和不可預測性。這將導致學生無法體驗真實情境，誤以為實驗結果總是完美無瑕、沒有誤差。
3. 技術和資源障礙：虛擬實驗很容易受到資訊科技和網路系統的限制，當電腦作業系統與硬體升級時，原本的軟體環境很可能不再適用。此外，虛擬實驗軟體的設置和維護需要大量的技術專業和資源。
4. 費用可觀：縱然虛擬生理學軟體毋需耗材，但是近年來各大軟體供應商多半以訂閱方式提供使用執照，學校在每年付費之外，若要升級還需要額外費用。因此跟傳統實驗室相比，所需經費的差距其實並不大。

  公平地說，虛擬生理學實驗代表著近來資訊科技與教育方式的重大進展，為傳統實作實驗提供了有效的補強方案。而上述列舉的優點與缺點，其實正是一體的兩面。例如：虛擬實驗既然提供了遠距學習的便利性，它就必然缺乏上手的體驗；它免去了動物實驗的倫理爭議，當然也就無法讓學生親身參與動物活體解剖。除了上列優點之外，筆者本身使用虛擬生理學實驗軟體教學時，還注意到一個重點：由於生理學是一門重視量化的學科，軟體模擬對於那些涉及複雜動態數量變化的生理現象，能提供實作實驗所無法達成的教育功能。由於沒有了實驗動物與設備的障礙，學生可以任意修改參數來觀察相關的數值變動。例如在虛擬肌肉實驗中，隨時改變荷重與其吊掛的方式，觀察肌肉的主動收縮力、被動收縮力及收縮速度，比起傳統的青蛙腓腸肌實驗更能讓學生深入認識肌肉力學。由於現實因素，酸鹼生理學實驗不可能實際測量人體動脈血液氣體 (arterial blood gas, ABG)。此時軟體模擬便可以生動地呈現換氣與腎臟代償對血液酸鹼值的影響。再者，真實的電生理實驗需要耗費大量時間才能熟悉技術操作，一般大學生幾乎不可能完成。此時借助上述的電生理模擬軟體，便可以讓學生在電腦上改變離子濃度、調整離子通道的活性，觀察其如何影響動作電位，甚至模擬離子通道疾病 (channelopathy) 患者的電生理反應。

  綜上所述，筆者對於這個議題的淺見與建議有以下幾點：

1. 在生理學實驗課程中，傳統的實作實驗與虛擬實驗各有所長，可以互補而不能偏廢。雖然虛擬實驗的優點不可忽視，也不能完全取代實作的體驗。
2. 在各科系人力與經費日益緊縮的現實下，對於著重生理學原理，未來不涉及臨床工作的理學院與生命科學院各系學生，不妨採用更多虛擬實驗。對他們而言，生理學實驗的教育目標在於深入認識生理機轉、觀察各種變因與生理現象之間的關聯，這部分正是軟體模擬足以達成的。
3. 對於那些與臨床高度相關的醫學院學生，即便有需要繼續維持傳統實作實驗，虛擬實驗仍能扮演輔助的角色。事實上有研究指出：虛擬與實作實驗兩者並用，效果比起單獨教學更好。例如在時間允許的情況下，教師可在上課前先讓學生透過虛擬實境認識實驗設備並且先行演練如何操作。實作實驗之後再用軟體模擬進行課堂中無法實施的操作（例如模擬肺部血流量改變時，血中氧氣濃度的變動）。如此可以透過多元感官刺激，更加鞏固學生的印象、深化學習成效——這正是多模態教學 (multimodal teaching) 的精髓。

  末了，我們再回顧本文的標題：實作與虛擬生理學實驗，到底哪一種比較好？請容許筆者套用雙關語這麼回答：虛實相濟、陰陽互生、生理好做！

註：根據教育部臺灣臺語常用詞辭典，臺語的「生理」是指生意、買賣。

參考文獻

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