空间能力是人类智能结构中的一个重要组成部分。近来心理学和学习科学的研究表明,空间能力可以通过教学和培训得到提升,而中学阶段是空间能力提升的关键时期。本研究着眼于数学学科教育中的空间能力提升,通过将3D CAD应用于常规课程教学中,探索如何有效提升初中生的空间能力。论文以儿童空间认知发展理论、视觉空间认知的相关理论和多模态理论为理论基础,探讨了如何基于多种表征模态提升空间能力,以此为基础开发了基于3D CAD的初中生空间能力提升方案,包括教学活动的组织、学习环境的设计、教学策略的制定和评价量规的选取等。为了检验该方案在真实课堂情景中的可行性,依托初中数学课程,进行了两轮的实验:第一轮为探索性研究,初步检验中学生的空间能力能否通过该方案得到提高;在此基础上,第二轮扩展研究对象,完善评价量规,进一步改进和优化实验方案。研究的主要贡献有以下几点:（1）从儿童空间认知发展理论、视觉空间认知理论和多模态理论等角度探讨了空间能力提升的途径,系统梳理了学科教育特别是数学教育中空间能力提升的研究与实践现状,归纳总结了空间能力提升的研究方向。（2）从表征模态的角度,构建了基于3D CAD的空间能力提升方案。该方案通过强化视觉空间认知活动,在3D CAD应用系统中完成教学活动的可视化展示和交流,最终增强学生的制图能力,促进学生构建明晰的空间概念,提升空间能力。（3）针对真实课堂情境,依托初中数学课程,进行相应的实证研究,验证、改进和优化基于3D CAD的空间能力提升方案,进行空间能力提升融入常规课程教学的实践探索。相应的课程可以成为学科教育中空间能力提升的示范案例。研究表明,基于3D CAD的空间能力提升方案能够显著提升初中生的三维空间能力,特别是三维空间想象力,并且这种提升没有性别差异。本文的研究有助于解决空间能力提升在学科教育中面临的挑战,有效地在课堂情境中推进面向空间能力提升的教学实践。