虚拟实验作为一种有效的教学媒体和工具，在实验教学中的应用越来越广泛，推动了教学模式、教学方法的改革。但是虚拟实验的设计往往依照单一、固定的实验流程，其大都只是应用于单项实验教学，不仅不利于培养学生的设计创新以及综合分析问题等能力的培养，也限制了虚拟实验在教学中的扩展应用，难适应当今实验教学改革推行的开展大型综合设计性实验的需要。同时，目前所设计的虚拟实验教学，也非常需要增强虚拟实验的趣味性，以促进学习者的主动学习，改善学习动机，这样才能在实验教学的不断改革中，持续保证其在教学中应用的有效性。游戏以其体验性、沉浸性、趣味性等特征被广泛应用于教育教学领域，若在虚拟实验中恰当地引入游戏机制，“寓学于乐”，则能有效的吸引学习者的注意力，激发学习者的学习兴趣，提升学习者的情感体验，促进学习者认知的形成，使其获得学习的愉快体验和经验。游戏性虚拟实验的学习对学习者的认知能力、创新能力、解决问题的能力以及学习兴趣和动机都有重要的影响，因此，探索游戏性虚拟实验的设计方法，指导游戏性虚拟实验的开发与实践，更好的辅助真实实验教学，发挥虚拟实验的优势，具有极其重要的意义。本研究对游戏性与游戏性元素的概念内涵进行了分析，应用系统动力学的方法，深入分析了各游戏性元素对虚拟实验各组成部分的影响作用，制定了游戏性虚拟实验的设计原则和流程，构建了把系统内部问题空间外显化的游戏性虚拟实验系统动力学模型，生成的可视化思维模型模拟了游戏性虚拟实验系统的多重、非线性复杂的系统行为，清晰地揭示了沉浸、情节、扮演、任务、动作、成长、管理和群聚八种游戏元素对虚拟实验情境、交互、监控三大组成部分以及对学习者在实验过程中心理和行为两个层面的影响作用。在此基础上，通过案例阐释了游戏性虚拟实验的总体设计，为游戏性虚拟实验开发过程中存在的潜在问题和解决游戏性虚拟实验的教学设计及其应用提供定量化决策支持。第一章确立了研究问题，阐述了研究背景和意义、研究方法以及有关此类研究的现状；第二章对“游戏性”以及“游戏性元素”的概念和内涵进行了界定和阐述，并通过大量的文献阅读，借鉴游戏理论、心流理论和情感化设计等理论的启示，为进行深入的研究提供理论支持；第三章基于系统动力学理论构建了包含情境设计、交互设计以及监控设计三大模块的游戏性虚拟实验系统动力学模型，该模型不仅具体地体现了游戏性虚拟实验的精髓，而且贯穿着诺曼的情感化设计的思想，并以系统动力学的建模思想为指导，制定了游戏性虚拟实验的设计原则：以游戏理论和教学理论为指导；创造逼真化的虚拟实验环境；情境化的交互性创设；为了验证本模型的有效性，第四章首先清晰地阐述了游戏性虚拟实验的开发流程，然后，依据此开发流程与设计原则，以《几何精度对机械性能影响的综合检测》为案例，阐述了游戏性虚拟实验各功能模块的具体实现：情境设计模块、交互设计模块以及监控设计模块；第五章对研究的主要成果和创新进行了总结，并对后续的研究工作进行了展望。