实验是人类认识和探究世界的重要方法，实验教学一直都是教学的重要环节。虚拟现实、计算机网络等技术支持的网络虚拟实验的出现，是对现代远程教育、网络教育等教学形式的有力支持，也是对现有实验教学模式的变革。然而网络虚拟实验目前仍以支持个体体验为主，对多人协作体验支持尚不足，这和真实实验中经常采用协作方式开展实验学习的状况很不相符。其次，目前网络虚拟实验在培养学生的高阶认知能力和社会性技能等方面和真实实验尚存在差距，存在很大的改进空间，而对于这些技能的培养恰恰是协作学习的优势所在。此外，目前大多数网络虚拟实验研究还是关注于网络虚拟实验环境的搭建和实验操作的模拟实现，缺乏教学设计及学习理论角度的深入探讨，因而缺乏可迁移的理论及方法指导。而另一方面，随着人们对教育和学习内涵的深入理解，协作学习越来越受到广泛重视，计算机支持的协作学习（CSCL）是近年来教育技术领域研究的热点之一，网络虚拟实验环境无疑是CSCL领域值得关注的学习环境类型之一。当前网络虚拟实验的教学应用开始从第一阶段--“教学环境的技术性营造”，向第二阶段--“学习理念的设计性融入”过渡，协作学习正是其中一种重要但却薄弱的学习组织形式，如何在网络虚拟实验中开展协作，充分发挥协作学习的优势是一个很值得探讨的问题。面向网络虚拟实验的协作学习（web-based Virtual Experiment oriented Collaborative Learning，简称wVECL）环境设计是解决这一问题的重要途径。　　 本研究聚焦于学习环境设计这一新型教学设计范式，以wVECL环境设计作为研究对象，从理论、方法、实践三个逐步推进的层面展开研究。　　 首先，有效的wVECL环境设计需要专门针对该环境的理论模型指导。本研究以建构主义学习理论、虚拟认知理论、媒体教学理论、情境学习理论、体验学习理论等为基础，分析了wVECL不同于一般的CSCL的特点、适合采用协作学习形式的实验类型、以及各种实验类型适合开展的体验及协作交互方式的基础上，首先以学习环境的核心目标即支持学习过程的有效开展为出发点，对wVECL的学习（知识建构）过程进行了深入剖析并建立了wVECL学习过程模型。其次以乔纳森的建构主义学习环境（CLE）理论模型为基础，对之进行针对支持上述wVECL学习过程模型的适应性改造，并采用解释结构模型方法对学习环境各要素的关系进行了分析，最终提出了wVECL学习环境理论模型，指明了有效支持wVECL的学习环境应当具备的基本要素及其相互关系。　　 其次，要将上述wVECL环境理论模型有效地贯彻到实际应用环境的设计及构建中去，需要一套可操作的设计方法的指导。本研究从社会-技术角度，以wVECL环境的核心要素（问题空间、虚拟体验空间）的设计为主线、外围要素（资源、工具、策略、社会性支持）的设计贯穿在其中的方式，对wVECL环境的设计过程进行了探讨，提出了一套较完整的、可操作的wVECL环境设计方法，该方法不仅提供了相关的设计模板，也提供了各关键环节的基本设计思路。　　 最后，作为对本研究提出的wVECL环境理论及设计方法的实证，通过一个具体应用于生物化学课程实验教学的“蛋白质序列与结构”wVECL环境的设计开发，以及应用该环境开展实验教学的准实验研究，实践并初步验证了本研究提出的wVECL环境设计理论及方法的可行性及有效性。