Jean Piaget, psiholog și filosof, a avut o contribuție uriașă la conceptualizarea științei predării și învățării valabile și astăzi. A identificat patru stadii ale dezvoltării cognitive a căror achiziție este diferită de la elev la elev și care cuprind, la rândul lor, mai multe substadii:

  1. Stadiul senzorio-motor, cu șase substadii:
    • reflexe simple;
    • obiceiuri și reacții circulare primare;
    • reacții circulare secundare;
    • coordonări ale reacțiilor circulare secundare;
    • reacții circulare terțiare, noutate și curiozitate;
    • internalizare de scheme.

    Fiecare dintre aceste subetape poate fi corelată, în prezent, cu anumite schimbări ale sistemului nervos și, mai ales, ale dezvoltării cerebrale.

  2. Stadiul preoperațional, cu două substadii:
    • apariția funcției simbolice (între vârstele de 2 și 4 ani) și
    • gândirea intuitivă (între vârstele de 4 și 7 ani),

    mult prea complexe pentru a putea fi corelate cu rezultatele cercetării neuroștiințifice. Tot mai multe date demonstrează, însă, maturizarea anumitor zone cerebrale legate de gândirea complexă (mai ales din creierul frontal) care se manifestă și prin procese intense de creștere la această vârstă.

  3. Stadiul operațiilor concrete, în care complexitatea gândirii și a dezvoltării umane este evidentă, care cuprinde mai multe procese, nu substadii.
    • Serializarea = capacitatea de a sorta obiecte după un anumit criteriu (mărime, formă, culoare etc.);
    • Tranzitivitatea = capacitatea de a recunoaște relații logice sau relative între obiecte;
    • Clasificarea = capacitatea de a denumi și de a indentifica seturi de obiecte în funcție de caracteristicile lor variabile;
    • Decentralizarea = abordarea unei probleme din diferite unghiuri, pentru a găsi cea mai bună soluție;
    • Reversibilitatea = înțelegerea ideii că numerele sau obiectele se pot schimba, apoi să revină la forma inițială;
    • Conservarea = înțelegerea ideii că lungimea, cantitatea, sau numărul de componente nu au legătură cu aranjarea sau cu felul în care se prezintă un obiect sau un lucru (ca atunci când turnăm apa dintr-o carafă într-un pahar subțire și înalt);
    • Neglijarea egocentrismului și cultivarea empatiei.

    Toate aceste procese, care se dezvoltă la copii înainte de vârsta de 12 ani, se leagă de anumite sarcini mentale ce pot fi discriminate la nivel cerebral, deci sistemele necesare pentru serializare, tranziție, clasificare etc. sunt circuite neuronale diferite, care solicită diferit elevul pe măsura dezvoltării sale.

  4. Stadiul operațiilor formale are loc la vârsta intrării în adolescență (aproximativ 13 ani), când copiii încep să gândească abstract, pe baza capacității de a gândi logic, de a deduce o informație și de a face presupuneri despre diverse situații. Piaget a observat că abilitatea verbală a unui adolescent de a rezolva probleme este direct proporțională cu calitatea gândirii la aceeași vârstă (spre deosebire de stadiile timpurii ale dezvoltării umane, când copiii procedează prin metoda încercare și eroare). În stadiul operațiilor formale, ființa umană începe să folosească tot mai mult gândirea ipotetic-deductivă și concluziile sistematice, în defavoarea estimării la întâmplare. Piaget explică, de exemplu, de ce prima iubire apare la adolescență – acesta este stadiul în care omul poate contempla posibilitățile din spatele momentului imediat. În 1960, Piaget era mult mai aproape de realitatea creierului de adolescent decât multe alte teorii moderne (care dau vina pe hormoni pentru a explica un comportament schimbător).