Kognitīvā informācijas apstrāde ir teoriju kopums par to, kā prāts mācās, uzņemot, apstrādājot un uzglabājot informāciju. Lielākā daļa teorijas versiju uzsver trīs atmiņas komponentus: sensoro atmiņu, īstermiņa jeb “darba” atmiņu un ilgtermiņa atmiņu. Līdz 20. gadsimta otrajai pusei kognitīvās informācijas apstrādes teorijas lielā mērā bija aizstājušas biheiviorisma teoriju, taču ir dažas mācīšanās jomas, kuras nav pietiekami izskaidrotas nevienā no ietvariem.
Atkinsona-Šifrīna kognitīvās informācijas modelis attiecas uz veidu, kā sensorā ievade galu galā kļūst par zināšanām. Jebkurā brīdī cilvēka prāts tiek bombardēts ar dažādiem stimuliem: skatiem, skaņām, smaržām utt. Lielākā daļa šo stimulu īslaicīgi tiek saglabāti sensorajā atmiņā, bet dažu sekunžu laikā tiek aizmirsti.
Tomēr, ja persona apzināti pievērš uzmanību noteiktai maņu ievadei, tā kļūst par daļu no īstermiņa atmiņas. Informāciju īstermiņa atmiņā var analizēt saistībā ar tās tiešo kontekstu un attiecīgajām iepriekšējām zināšanām. Ja zināšanas ir pareizi integrētas citās atbilstošās zināšanās, tās tiek integrētas ar šo informāciju un tiek saglabātas ar to ilgtermiņa atmiņā.
Šī un citas kognitīvās informācijas apstrādes teorijas variācijas uzskata, ka zināšanas tiek iegūtas un glabātas datoriem līdzīgā tīklā. Turpretim agrākās mācīšanās teorijas, piemēram, BF Skinnera biheivioristu uzskati, uzsvēra, cik svarīgi ir mācīties, atkārtojot. Skinera modelī izglītojamais saņem pozitīvas atsauksmes par pareizu informācijas atcerēšanos un negatīvas atsauksmes par nepareizu atcerēšanos, tāpēc mācīšanos pastiprina pozitīvas sekas. Tomēr attiecībā uz kognitīvās informācijas apstrādes teoriju atgriezeniskās saites loma ir palīdzēt izprast informāciju. Kad cilvēki saņem negatīvas atsauksmes, viņi uzzina, ka kaut kas viņu izpratnē par informāciju nav pareizi, un attiecīgi maina savu izpratni.
Abām mācīšanās teorijām ir tieša ietekme uz izglītību. Kognitīvās informācijas apstrādes teorētiķi uzsver nepieciešamību aktīvi iesaistīt izglītojamos informācijā, lai tā kļūtu par daļu no ilgtermiņa atmiņas. Biheivioristi uzsver nepārtrauktu izglītojamā zināšanu nostiprināšanu. Kopumā abi modeļi veido lielu daļu no mūsdienu klasēs izmantotajām metodēm.
Tomēr kognitīvās informācijas apstrādē ir daži būtiski trūkumi. Daži pierādījumi liecina, ka ne visa informācija ir jāsaņem un jāapstrādā apzināti, lai to uzglabātu. Piemēram, cilvēks var iemācīties vārdus populārai dziesmai, to atkal un atkal dzirdot pa radio, nekad tīši nepievēršot tai uzmanību. Citas apgūtas uzvedības metodes, piemēram, braukšana ar velosipēdu vai automašīnas vadīšana ar standarta pārnesumkārbu, ir saistīta ar pusautomātisku garīgo un fizisko procesu kombināciju, kas neatbilst nevienam no modeļiem.