虚拟实验与真实实验相比,有其独特的优势,伴随着教育信息化的飞速发展,各种各样的虚拟实验不断地被设计、开发并应用于教育教学中。然而,前期调研分析发现,目前被广泛使用的虚拟实验仍存在仿真度不高、趣味性差、交互方式单一以及技术开发方向与教育应用需求不匹配等问题。另一方面,从各国官方发布的科学教育标准和指导框架等报告中可以发现,让学生开展探究式学习已成为世界各国科学教育的主旋律。为了更好地发挥虚拟实验在科学教育中的优势,本研究从交互设计的视角出发,将探究式学习理念和Web3D技术融入虚拟实验的设计与开发,以改善用户体验并提升其教学应用效果。在整理和分析已有的相关文献和理论基础的基础上,本研究首先提出面向探究式学习的Web3D虚拟实验交互设计框架,然后以我国初中科学教材中“盐的溶解”实验为例进行交互设计和技术开发实践,最后设计并实施了教学应用和探究性学习活动,并对参与对象发放用户体验问卷来验证面向探究式学习的Web3D虚拟实验交互设计的应用效果。在交互设计框架建立阶段,首先提出了虚拟实验交互设计的四大原则:紧贴中学课程内容、面向探究式学习、良好的用户体验以及量体裁衣式的反馈机制。其次定义了规范化的虚拟实验交互设计流程和内容选取原则,阐述了竞品分析策略。最后,提出了虚拟实验探究活动、功能模块、原型的设计思路。“盐的溶解”虚拟实验案例交互设计阶段在对相关竞品进行对比分析的基础上,针对案例进行了具体的探究活动、功能模块、原型的设计。其中探究活动设计包括探究层级的确定和5条探究式脚手架的搭建;功能模块设计环节对该虚拟实验的观察、操作、呈现结果的方式进行了全面详细的阐述;而原型设计环节使用软件Omni Graffle,详细绘制了由各个功能模块组成的“盐的溶解”虚拟实验原型图。开发阶段应用Babylon.js等一系列技术进行虚拟实验案例“盐的溶解”的开发,实现了Canvas实时渲染三维实验现象和场景、SVG动态呈现可视化数据等关键功能,并在此基础上进行了大量优化、调整、测试工作。同时,本研究开发了一个虚拟实验平台“Lab 3D”,该平台的设计充分考虑了标准化与可扩展性,可以在未来新增更多面向探究式学习的Web3D虚拟实验。为了探索“盐的溶解”虚拟实验的教学应用效果,本研究设计了对应的教学方案和探究式学习活动,并邀请了30名七年级学生在教师引导下通过虚拟实验平台开展了一次探究式学习活动。通过线上教学的形式开展的“盐的溶解”虚拟实验教学应用结果表明,该虚拟实验符合学习者的学习需求,能够帮助学习者更好地理解和掌握相关知识,具有较高的易用性和良好的用户体验,学习者表现出了较强的继续使用的意愿。