实验是对抽象的知识理论所做的现实操作,在实验学习活动中,学习者综合运用智慧技能和操作技能以及实验内容性知识之外的隐性知识。元认知能力是学习者对自身思维过程的知觉、观察、控制和自我调整行为的能力,元认知能力是影响学习效果的重要因素。在复杂的实验学习活动中,可以通过虚拟现实技术发展元认知技能。在对虚拟实验特点及目前存在问题分析的基础上,结合国内外元认知的研究综述,对元认知的概念进行了界定,分析了元认知的实质以及元认知的三要素与学习者元认知能力间的相互关系。以情境认知理论、迁移理论、元认知理论为理论依据,提出了虚拟实验中培养学习者元认知能力的任务、原则、设计策略、设计流程等并参照培养学习者元认知能力的虚拟实验设计流程构建了促进学习者元认知能力的虚拟实验设计模型,以期通过虚拟实验设计模型中各功能模块的协同作用帮助学习者,促进科学学习。以吉林大学工科的《精密测量》虚拟实验为案例,进行实验分析研究,具体阐述了《精密测量》虚拟实验中各个部分如何帮助学习者积累元认知知识、丰富学习者元认知情感体验,提升学习者的自我元认知监控,进而促进学习者的元认知能力等。最后按照元认知的六个维度设计调查问卷,通过对问卷的定性分析,提出了该实验中仍需要加强改进的部分,进而更加有效的促进学习者的元认知能力。