数学学习研究一般采用两种方式，一种是从一般心理学的理论出发，去对数学学习的具体问题作解释与分析；另一种是尽可能从数学学习的具体过程出发，研究学生学习的真实心理活动，分析其认知过程、机制及心智变化，逐步形成具有自身特点的数学学习理论。尽管国际数学教育委员会（ICMI）属下的"国际数学教育心理学研究组织'（简称PME）极力倡导第二种方式，但从当前研究的实际状况看，上述两种方式都是必需的，而且在具体运用时它们常常是相辅相成的，很难加以区分。特别由于现代教育心理学理论有了长足的进展，我们更应重视运用其丰富的理论框架和多样化的学术视角对数学学习心理规律作深入的认识。
一、数学学习理论的发展
在20世纪，数学学习理论经历了从行为主义到认知主义的发展历程。
20世纪下半叶，随着学习心理研究的不断深入，行为主义忽视学习的内在心理过程的严重缺陷已日益明显，越来越多的心理学家转向关注学习的内在过程，这促成了认知主义学习理论的形成。
德国的格式塔是早期的认知主义代表（格式塔是一个德语词，意即完形），其核心人物有韦特海默、考夫卡、苛勒等。该学派主张思维是整体的有意义的知觉，他们以"完形"为基本概念，强调从整体上认识学习的本质，并提出了顿悟学习理论。早期对认知理论的形成施以影响的还有托尔曼，他所提出的"中间变量"（即学习主体的"内在机制"）的思想，成为其学习理论的核心概念。
瑞士心理学家皮亚杰是当代认知主义的重要代表人物，他对心理的发生发展、认知结构及其机能等问题进行了深入研究，并提出了著名的认知建构理论、认知发展理论。"运算"（即思维操作）是皮亚杰理论中的关键概念，他据此将儿童认知发展分为四个主要阶段，即感觉-运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段和形式运算阶段，并讨论了各阶段认知发展的基本特征及相互联系。皮亚杰在《发生认识论原理》一书中提出"同化"和"顺应"的概念，被人们普遍运用于解释学习中的认知发展。他尤其对数学学习特有的心理特征给予了关注，他甚至运用数学方式定义了其认知理论中的一些概念（如思维结构、自反抽象等）。
从20世纪六七十年代始，数学学习理论中的认知主义取代行为主义已成必然之势。布鲁纳提出了发现学习理论，强调学习进程是一种积极的认知过程，提倡知识的发现学习。他进行了大量的数学学习实验，并从中总结出四条数学学习原理，即建构原理、符号原理、比较和变式原理、关联原理。此外奥苏贝尔提出了"有意义学习"理论，加涅提出了"信息加工"学习理论。正是如此众多认知学习理论的出现，使数学心理研究范式发生了重要转变，并预示着认知理论将会有新的发展。