一、学习环境设计的理论基础
探究式虚拟学习环境的设计主要的理论基础是建构主义理论。
(一)学习环境的创设
建构主义认为学习环境是学习者可以在其中进行自由探讨和自主学习的场所。学习环境是促进学生学习的外部原因，学生可以利用环境中一切因素如学习资料、音频、视频等工具协作学习，只要学生使用得当，就有利于学生的学习，也可以通过观察环境中一些现象，提出问题，最后解决问题达到知识的意义建构。
(二)协作学习
在建构主义指导下的学习环境设计应该注重学生的交互作用，这对学生完成知识的意义建构起着决定性的作用。学生在学习环境中，可以自主学习也可以进行协作学习，他们可以共同建立一个协作小组，相互交流讨论，解决分歧，最后达成共识。
(三)意义建构
学习的最终目的是能够完成对所学科学知识的意义建构，将知识纳入自己的认知结构中，并能运用知识解决问题，促进知识迁移。建构主义教学环境设计注重创设有利于学生意义建构的教学情境，学生对知识进行了意义建构也就意味着促进了他们的学习，因此一切过程也是围绕着“意义建构”而展开，教学中一切活动都应该以利于学生所学知识的意义建构。
二、探究式虚拟学习环境的设计
探究式学习环境的设计主要从两个方面进行设计，分别为学习内容和教学策略，学习内容主要包括设计的知识领域，包括各种场景中知识链接和学习资源的设计，认知工具的设计。探究式虚拟学习环境设计主要采用的策略分为两大部分:自主学习策略和协作学习策略。自主学习策略中包括支架策略和自我反馈教学策略，协作学习策略主要包括小组讨论和伙伴学习。
(一)学习环境的设计内容根据建构主义的代表人物乔纳森在1997年提出的建构主义学习环境模型CLE为基础来分析和阐述学习环境设计的主要内容，在网络技术支持下的设计模型主要是在理论指导下，对科学课程所涉及的内容进行全面设计，再结合自主学习策略和协作学习策略等进行了循环设计，并进行评价，使环境和学习成为统一整体。
(二)学习环境的设计模型
根据前人的研究成果和理论依据，并在习海旭等人所提出的虚拟学习环境设计的系统结构的帮助下，设计出关于小学科学课程的学习环境设计模型。主要分为三个层面的设计，分别为“导航层”“探究层”“反思层”。
1．导航层面的设计。导航层面的作用主要在学生探究过程中给以适当正确的引导，避免他们偏离主题。主要包括界面的菜单项设置、页面布局等设置。
2．探究层面的设计。
(1)“探究层—物质世界”模块设计。首先分析关于“物质世界”的设计，进入物质世界后，选择“热传递”现象，进入场景，演示实验，首先是一个空杯子，摸上去是凉的.，倒入热水后杯子外壁温度升高，变热，提出问题，找出引起这种现象的原因。然后学生进入实验环节，开始虚拟实验。同样在物体热胀冷缩中，先演示一个现象后，然后提出问题，学生进入实验室进行虚拟实验完成探究。
(2)“探究层—生命世界”模块设计。学生通过登录进入系统点击“生命世界”进入“植物生长”场景，进入之后学生会发现场景中有一片土壤。在场景左边可以选择工具如铁锹、锄头、洒水壶，还有各种原材料植物种子、肥料、农药等;在场景的右边是提示板，上面包括各种植物适宜生长环境、空气湿度等提示信息;场景上方还有温度计调节环境温度。进入“动物世界”场景之后，首先呈现在学生面前的是森林环境中各种动物，让学生近距离的观察他们的生活，这样不仅避免了现实中人们的某些对动物的恐惧感，而且他们能获得对动物的真实了解。这里以“养蚕”为例子，首先拿到蚕卵，在一定的室温环境下，等待孵出蚁蚕，适时适量地喂食、打扫卫生等工作，同时一边观察蚕的生长情况，在饲养的过程中获得经验和知识。
(3)“探究层—地球与宇宙”模块设计。地球与宇宙模块是学生进入系统后，便进去虚拟宇宙，跟着鼠标在太空中漫游，观察各大星球大小、形状、位置等，也可以改变视角俯视平时等观察星球运动和球体表面。在“星球运动”场景可以清晰地看到各大行星、卫星的运行轨道、快慢、相对位置、大小等。用户使用鼠标在太空的旅行，以放大和缩小，改变观察角度来浏览整个宇宙世界。在“日食和月食”中通过虚拟地球，月球公转和自转速度转动，观察在此过程中出现什么现象，以及出现现象时太阳、地球和月球的相对大小及位置等。
(4)“探究层—运动和力”模块设计。在运动和力模块，主要包括三个场景分别为“游乐缆车”“杠杆滑轮”“自制赛车”场景。在第一场景中，学生点击进之后便犹如在旅游景点乘坐缆车，沿途观赏各种美景，立刻激发学生的好奇心，之后呈现在学生面前一个疑问是“缆车到底靠什么运动呢”，引起学生的猜想，接着进入虚拟实验室，来验证各种假设最后得出结论。在杠杆滑轮场景中，进入环境先演示起重机等机器工作过程，然后提出问题，学生进行试验，环境中拥有所有需要的虚拟工具。在自制赛车中，则是将运动和力结合起来考察，通过选择工具来进行探究。
(5)“探究层—水和空气”模块。在这一模块中主要包括两个场景“水的世界”“周围空气”。其中“水的世界”场景主要是通过呈现地球仪来引入学生探究。而“周围空气”首先给了一个文字情境猜谜语来激发学生的学习积极性，然后再查询空气成分等资料，接着进入实验环节，利用水杯、水、吸管、火柴棒等工具来验证空气的存在、重量等。
(6)“探究层—我们自己”模块设计。此模块包括“观察身体”和“运用器官”两个场景，此模块主要是向学生普及生理知识，在第一个场景中主要由虚拟人的人体解剖构成，让学生既可以了解身体的基本构成也能认识到身体内部结构。在“运用器官”环节主要是综合运用各个器官去观察事物，倾听声音等。
3．反思层面的设计。反思层主要是学习者完成探究后，回顾自己的探究过程，学习者在探究学习完成之后进入的一个环节，学习者可以反思自己的学习过程，通过其中的成功与失败得出一些经验和教训，可以留言与大家一起分享，也可以相互讨论进行解决问题。
三、结语
由于传统的教学方式主要是以教为主的教学方式，随着信息技术的发展，探究式虚拟学习环境设计引入了更多的技术手段。首先，在每一个场景的设计中，都时时以探究性为核心，每一个情景都使学生主动思考，深入探究。其次，探究性虚拟学习环境是以建构主义为理论基础的，主要是以学生为主体;教师在此过程中主要是辅导学生学习。最后，探究式虚拟学习环境设计将虚拟现实技术引入学习环境设计中，让学生坐在电脑前，体验亲临现实般的亲切感。为了让学生更好地学习科学课程，培养学生的探究精神，在未来要对环境设计加以改进。首先，拥有更多的时间和精力，为小学科学课程创设一个更好更全面更科学系统的学习环境，同时也要扩展教学内容，不能仅局限与教材上所需要掌握的内容。其实，随着技术的发展，其他多种理论的指导下，学习环境设计向着三维虚拟环境发展，对于提高学生的学习积极性和学习兴趣，改善学习效果，提高学生学习效率有着积极的作用。最后，在学习评价上要有更多更细致的评价方式。让学生学会反思，促进自己的发展。