Kognitiivinen tietojenkäsittely on kokoelma teorioita siitä, miten mieli oppii ottamalla, käsittelemällä ja tallentamalla tietoa. Useimmat teorian versiot korostavat muistin kolmea osaa: aistimuisti, lyhyt- tai ”työmuisti” ja pitkäaikainen muisti. 20 -luvun jälkipuoliskolla kognitiiviset tietojenkäsittelyteoriat olivat suurelta osin korvanneet behavioristisen teorian, mutta on joitakin oppimisalueita, joita kumpikaan kehys ei selitä riittävästi.
Atkinson-Shiffrinin kognitiivisen tiedon malli käsittelee tapaa, jolla aistinvaraisesta tulosta tulee lopulta tieto. Ihmisten mieli pommitetaan milloin tahansa erilaisilla ärsykkeillä: näkyillä, äänillä, hajuilla jne. Suurin osa näistä ärsykkeistä tallennetaan hetkeksi aistimuistiin, mutta unohdetaan muutamassa sekunnissa.
Jos henkilö kuitenkin tietoisesti kiinnittää huomiota tiettyyn aistituloon, siitä tulee osa lyhytaikaista muistia. Lyhytaikaisen muistin tietoja voidaan analysoida suhteessa niiden välittömään kontekstiin ja asiaankuuluvaan aiempaan tietoon. Jos tieto integroidaan asianmukaisesti muuhun asiaankuuluvaan tietoon, se integroituu kyseiseen tietoon ja tallennetaan sen kanssa pitkäaikaiseen muistiin.
Tämä ja muut kognitiivisen tietojenkäsittelyteorian muunnelmat pitävät tietoa hankittuna ja tallennettuina tietokoneen kaltaiseen verkkoon. Sitä vastoin aiemmat oppimisteoriat, kuten BF Skinnerin käyttäytymistieteelliset näkemykset, korostivat toistamisen kautta oppimisen merkitystä. Skinnerin mallissa oppija saa positiivista palautetta siitä, että hän muistaa tiedot oikein, ja negatiivista palautetta muistaessaan väärin, joten oppimista vahvistavat positiiviset seuraukset. Mitä tulee kognitiiviseen tietojenkäsittelyteoriaan, palautteen tehtävänä on kuitenkin auttaa ymmärtämään tietoa. Kun ihmiset saavat negatiivista palautetta, he oppivat, että jokin heidän käsityksensä tiedosta on väärä, ja he muuttavat ymmärrystään vastaavasti.
Molemmilla oppimisteorioilla on suora vaikutus koulutukseen. Kognitiivisen tiedonkäsittelyn teoreetikot korostavat, että oppijat on otettava aktiivisesti mukaan tietoon, jotta siitä tulee osa pitkän aikavälin muistia. Behavioristit korostavat oppijan tietämyksen jatkuvaa vahvistamista. Yhdessä nämä kaksi mallia muodostavat suuren osan nykyaikaisissa luokkahuoneissa käytetyistä menetelmistä.
Kognitiivisessa tiedonkäsittelyssä on kuitenkin joitain suuria puutteita. Jotkut todisteet viittaavat siihen, että kaikkia tietoja ei tarvitse vastaanottaa ja käsitellä tietoisesti, jotta ne voidaan tallentaa. Esimerkiksi henkilö voi oppia sanat suosittuun kappaleeseen kuuntelemalla sitä uudestaan ja uudestaan radiosta ilman, että se koskaan tahallisesti kiinnittäisi siihen huomiota. Muita opittuja käyttäytymistapoja, kuten polkupyörällä ajamista tai vakioautovaihteistolla ajamista, liittyy puoliautomaattisten henkisten ja fyysisten prosessien yhdistelmä, jotka eivät sovi siististi kumpaankaan malliin.