Η γνωστική επεξεργασία πληροφοριών είναι μια συλλογή θεωριών σχετικά με το πώς μαθαίνει το μυαλό λαμβάνοντας, επεξεργάζοντας και αποθηκεύοντας πληροφορίες. Οι περισσότερες εκδοχές της θεωρίας δίνουν έμφαση σε τρία στοιχεία της μνήμης: την αισθητηριακή μνήμη, τη βραχυπρόθεσμη ή «εργαζόμενη» μνήμη και τη μακροπρόθεσμη μνήμη. Στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, οι θεωρίες γνωστικής επεξεργασίας πληροφοριών είχαν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τη συμπεριφοριστική θεωρία, αλλά υπάρχουν ορισμένοι τομείς μάθησης που δεν εξηγούνται επαρκώς από κανένα από τα δύο πλαίσια.
Το μοντέλο Atkinson-Shiffrin των γνωστικών πληροφοριών ασχολείται με τον τρόπο με τον οποίο η αισθητηριακή εισαγωγή γίνεται τελικά γνώση. Σε κάθε δεδομένη στιγμή, το μυαλό ενός ατόμου βομβαρδίζεται με διάφορα ερεθίσματα: εικόνες, ήχους, μυρωδιές κ.λπ. Η συντριπτική πλειονότητα αυτών των ερεθισμάτων αποθηκεύονται για λίγο στην αισθητηριακή μνήμη, αλλά ξεχνιούνται μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα.
Εάν, ωστόσο, το άτομο δίνει σκόπιμα προσοχή σε μια συγκεκριμένη αισθητηριακή είσοδο, γίνεται μέρος της βραχυπρόθεσμης μνήμης. Οι πληροφορίες στη βραχυπρόθεσμη μνήμη μπορούν να αναλυθούν σε σχέση με το άμεσο πλαίσιο και με τη σχετική προηγούμενη γνώση. Εάν η γνώση ενσωματωθεί σωστά σε άλλες σχετικές γνώσεις, ενσωματώνεται με αυτές τις πληροφορίες και αποθηκεύεται μαζί της στη μακροπρόθεσμη μνήμη.
Αυτή και άλλες παραλλαγές στη θεωρία της γνωστικής επεξεργασίας πληροφοριών βλέπουν τη γνώση να αποκτάται και να αποθηκεύεται σε ένα δίκτυο που μοιάζει με υπολογιστή. Αντίθετα, παλαιότερες θεωρίες μάθησης, όπως οι συμπεριφοριστικές απόψεις του BF Skinner, τόνισαν τη σημασία της μάθησης με επανάληψη. Στο μοντέλο του Skinner, ένας μαθητής λαμβάνει θετική ανατροφοδότηση για τη σωστή απομνημόνευση πληροφοριών και αρνητική ανατροφοδότηση για λανθασμένη μνήμη, έτσι η μάθηση ενισχύεται από θετικές συνέπειες. Όσον αφορά τη θεωρία της γνωστικής επεξεργασίας πληροφοριών, ωστόσο, ο ρόλος της ανατροφοδότησης είναι να βοηθήσει στην κατανόηση των πληροφοριών. Όταν οι άνθρωποι λαμβάνουν αρνητική ανατροφοδότηση, μαθαίνουν ότι κάτι στην κατανόηση των πληροφοριών τους είναι εσφαλμένο και τροποποιούν την κατανόησή τους ανάλογα.
Και οι δύο θεωρίες της μάθησης έχουν άμεση επίδραση στην εκπαίδευση. Οι θεωρητικοί της γνωστικής επεξεργασίας πληροφοριών τονίζουν την αναγκαιότητα της ενεργητικής συμμετοχής των μαθητών στις πληροφορίες, προκειμένου αυτές να γίνουν μέρος της μακροπρόθεσμης μνήμης. Οι συμπεριφοριστές δίνουν έμφαση στη συνεχή ενίσχυση της γνώσης του μαθητή. Συνολικά, τα δύο μοντέλα αποτελούν ένα μεγάλο μέρος των μεθόδων που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες τάξεις.
Υπάρχουν, ωστόσο, ορισμένες σημαντικές ελλείψεις στη γνωστική επεξεργασία πληροφοριών. Ορισμένα στοιχεία δείχνουν ότι δεν χρειάζεται να ληφθούν και να υποβληθούν σε επεξεργασία όλες οι πληροφορίες συνειδητά για να αποθηκευτούν. Για παράδειγμα, ένα άτομο μπορεί να μάθει τις λέξεις ενός δημοφιλούς τραγουδιού ακούγοντας το ξανά και ξανά στο ραδιόφωνο, χωρίς ποτέ να εστιάσει σκόπιμα την προσοχή σε αυτό. Άλλες μαθημένες συμπεριφορές, όπως η οδήγηση ενός ποδηλάτου ή η οδήγηση ενός αυτοκινήτου με τυπικό κιβώτιο ταχυτήτων, περιλαμβάνουν έναν συνδυασμό ημιαυτόματων διανοητικών και σωματικών διαδικασιών δεν ταιριάζουν απόλυτα σε κανένα μοντέλο.