STEM教育是将科学、技术、工程、数学融合的教育,学生从不同学科角度思考问题,利用不同学科知识和技能解决问题,能有效帮助学生明确学科知识价值及应用领域。STEM教育的核心是学科融合,并未限制教育方法和教学手段,国家和教育研究人员鼓励运用科技工具或系统平台进行STEM项目学习,营造线上、线下融和的学习环境。基于游戏的学习模糊了学习与游戏、正式学习与非正式学习的界限,能有效提高学生学习兴趣、沉浸感、自我效能感。在以技术为驱动的数字化学习环境中,游戏和各种新兴技术融合趋势明显,基于STEM教育理念设计游戏化学习环境为STEM学习资源设计提供了新思路。本研究解决的核心问题是STEM教育理念下小学科学游戏化课程设计及虚拟学习环境开发。笔者在阅读大量文献基础上分析了“基于游戏的学习”、“STEM教育”、“科学教育”等研究现状,对研究现状进行评述并进行相关概念界定和理论分析。其次对基于STEM教育理念的虚拟学习环境Virtual Age、Gogent Education、Zyrobotics进行案例分析,总结STEM与游戏化学习环境中故事情节、游戏场景、任务模块整合的设计思路,并以情境认知理论、沉浸理论、最近发展区理论、以叙事为中心的学习理论为指导,提出STEM视角下游戏化学习环境设计原则和策略。然后,以设计思路、原则、策略为导向进行小学科学游戏化虚拟学习环境“科学霸业”的设计与开发,最后对“科学霸业”进行实证研究和效果分析。分析结果表明基于STEM理念开发的游戏化学习环境能有效提高学生学习兴趣,学生在游戏化虚拟场景中考察探究、完成游戏任务,能有效培养学生的工程思维,利用可视化模拟软件NetLogo进行土壤侵蚀影响因素验证分析能帮助学生掌握控制变量法的操作技巧。本研究证实了利用游戏化虚拟学习环境进行STEM教育的可能性,为STEM学习资源设计提供了新思路,为培养中学生核心素养、促进学生全面发展提供了新研究视角。