A behaviorizmus hiányosságait felismerve a kognitív elméletek már a tanuló elméjében lejátszódó folyamatok megismerését tűzték ki célul. A megismerési folyamatok alapegységének az információ-feldolgozási folyamatokat jelölték meg. A kognitív tanulási modellekben a tanulás alapfeltétele az, hogy a tanuló elméje (információ feldolgozó rendszere) nyitott (érdeklődő) legyen az új ismeretekre, új információfeldolgozási módokra.

A kognitív pedagógia tanuláselméleti modellje szerint (leegyszerűsítve) a következő lépések zajlanak le a tanulási folyamatban:

1. Észlelés: érzékszerveink segítségével felfogjuk a környezetből jövő információkat (ingereket). Mivel információk sokasága bombázhat bennünket, ezért az érzékszerveinkhez kapcsolódó úgynevezett szenzoros tárolókba kerülnek az érdeklődésünket felkeltő információk.
2. A fontosnak ítélt információk átkerülnek a rövid távú memóriánkba. A figyelem segít bennünket abban, hogy eldöntsük, mi kerüljön a rövid távú memóriába. A figyelem lehet szándékos (pl. zavarásmentes tanulási környezet biztosításával vagy a tanulók motiválásával), és lehet automatikus (pl. automatikusan felfigyelünk egy váratlan zavaró tényezőre). A rövid távú memóriában 15 – 20 másodperc alatt eldől, hogy kiürül-e az információ, vagy átkerül a munka memóriába vagy a hosszú távú memóriába.
3. A hosszú távú memóriában mentális reprezentációk hálózatában tárolódnak a feldolgozott információk.A mentális reprezentációnak Bruner (1974) három alapformáját különbözteti meg:

- cselekvéses reprezentáció, amelynek az a lényege, hogy a környezetünk tárgyait azokkal a mozgásformákkal képezzük le, amelyek a tárgyakhoz kötődnek (pl. kerékpározás - kerékpár, kísérletezés - kémcső stb.)

- képi reprezentáció (vizuális képzetek)

- szimbolikus reprezentáció (fogalmi reprezentáció)

A tanulás irányításakor arra kell törekedni, hogy a tanítványaink a cselekvéstől a vizualitáson át az elvont fogalmi tanulásig fejlődve fokozatosan járják végig ezt az utat. (Elvont fogalmakra épülő tanulásra általában a 12 évesnél idősebb gyermekek képesek)

4. Kognitív sémák kialakulása

Az elménkben lévő reprezentációk (emléknyomok) egymáshoz kapcsolódnak, és rendszert alkotnak. Ezeket a rendszereket kognitív sémának nevezi a szakirodalom. A sémák sokfélék lehetnek, például: fogalmak, képzetek, procedurális elemek stb. A sémák az új információk megértését és feldolgozását segítik, azaz a meglévő sémáink közé illesztjük az új információkat. Azokat az információkat, amelyekkel kapcsolatban nem rendelkezünk sémákkal (előzetes ismeretekkel), nagyon nehezen vagy egyáltalán nem értjük meg, így rossz helyre vagy be sem építjük a mentális (tudás) hálónkba. A tudás gyarapodása tulajdonképpen a sémák számának gyarapodásával egyenlő, de fontos tudni, hogy a sémákba nem illeszkedő tudás nem megértett, ebből következik, hogy nem alkalmazható és nem használható tudás.

5. Képességek kialakulása

A képességek olyan sémák vagy olyan komplex sémarendszerek, amelyek valamilyen cselekvést tesznek lehetővé. A képességfejlesztő tanításnál arra törekedünk, hogy a különböző tudáselemek értelmezési és cselekvési sémákká álljanak össze.