自2018年教育部提出“金课”概念以来,作为五类“金课”之一的“虚拟仿真金课”就备受研究者的关注。虚拟仿真实验为学生提供自主解决问题的仿真实验情境,已逐渐成为促进学生学习、培养学生能力的重要手段,而元认知能力是学生学习能力的重要体现。学生进行虚拟仿真实验学习的过程与学生的元认知活动密不可分。基于此,本研究探讨虚拟仿真实验对大学生元认知能力的影响。本研究在梳理以往文献的基础上将虚拟仿真实验内在特性总结为感官沉浸性、感知交互性和意识构想性;同时,研究根据学生的学习过程将学生的元认知能力划分为元认知计划、元认知监控、元认知调节和元认知评价,并结合已有研究提出研究假设,构建虚拟仿真实验对大学生元认知能力影响的理论模型。在此之后,本研究采用结构方程模型方法,对收集到的380份问卷依次进行信效度分析、结构方程模型的检验与修正、路径分析及中介效应检验,研究结果表明:虚拟仿真实验的感官沉浸性对大学生的元认知计划和元认知调节不具有直接影响,而对元认知监控和元认知评价具有正向显著影响;感知交互性和意识构想性对大学生的元认知能力均具有正向显著影响。在中介作用方面,意识构想性在感官沉浸性与元认知计划和元认知调节中存在完全中介作用,在感官沉浸性与元认知监控和元认知评价中存在部分中介作用,在感知交互性与元认知能力中存在部分中介作用;感官沉浸性在感知交互性与元认知计划和元认知调节中不存在中介作用,在感知交互性与元认知监控和元认知评价中存在部分中介作用。在影响元认知能力的总效应方面,意识构想性对元认知计划和元认知调节的影响最大,感知交互性对元认知监控和元认知评价的影响最大。在上述调查分析的基础上,本研究阐释了虚拟仿真实验的三大特性对大学生元认知能力的影响机制,并构建了虚拟仿真实验对大学生元认知能力的影响模型。最后,本研究提出了提升大学生元认知能力的建议,以期为研究者提供实验教学下培养学生元认知能力的新视角,让教育研究者更加了解虚拟仿真实验与学生元认知能力之间的联系,更好地将虚拟仿真实验应用于教学中,促进学生学习,提高教学质量。