虚拟实验作为一种新型的自主学习方式,对学习者知识能力的提高、技能的掌握和态度的培养具有重要作用。然而有些虚拟实验内容乏味、界面粗糙、交互复杂,无形中增加学习者的认知负荷,忽略了学习者的情感体验,一系列的设计缺陷降低了虚拟实验的可用性和有效性,抑制了虚拟实验在教育中的潜在作用。本研究在教学设计理论、情境学习理论和认知负荷理论的指导下,结合虚拟实验国内外设计研究现状,以激发学习者学习兴趣、促进学习者情感体验、降低学习者认知负载为目标,展开了虚拟实验的层次性设计研究,提出虚拟实验的设计分为三个层次进行,即创设虚拟情境、激发学习者学习兴趣的情感层次;提供多种感官刺激、促进情感提升的表现层次;简捷交互、降低认知负荷的行为层次。在此研究的基础上,结合“认识人民币”虚拟实验开发案例,阐释了虚拟实验层次性设计思想实现的流程、方法及常见问题的解决方案,并通过实地调查验证了该对策的可行性。