学习的行为定义有利于我们观察和测量，这是它的优点。但是，学习的本质是什么？是否就是行为变化呢？假定有两个学生接受相同的军事训练，从行为变化上看，他们都学会了队列操练和实弹射击。但在他们的思想深处，一名学生得出“军队生活很艰苦，尽量不要去当兵”的看法，另一名学生则得出“军队是青年成长的好地方，尽量争取去当兵”的想法。这种思想深处的变化有时很难从具体的行为变化看出来，这是不是学习呢？显然，这是比具体的行为更重要和更本质的学习。为此，心理学家对学习的行为定义作了修改。
鲍尔（G。H。Bower）和希尔加德（E。R。Hilgard）在他们著名的《学习论》（1981）一书中把学习定义为：“一个主体在某个规定情境中的重复经验引起的、对那个情境的行为或行为潜能的变化。不过，这种变化是不能根据主体的先天反应倾向、成熟或暂时状态（如疲劳、酒醉、内驱力等）来解释的。”（G。H。鲍尔，E。R。希尔加德著：《学习论——学习活动规律的探索》，邵瑞珍等译，上海教育出版社1987年版，第22页。）
这个定义比一般行为主义的定义进了一步，在学习的变化中包含了行为潜能的变化。加涅（1985）则更明确地把学习定义为：“学习是人的倾向（disposition）或能力（capability）的变化，这种变化能够保持且不能单纯归因于生长过程。”R。M。加涅著：《学习的条件和教学论》，皮连生等译，华东师范大学出版社1999年版，第2页。加涅实际上是用人的内部的变化来定义学习。不过，加涅认为，内部的变化不能观察，必须通过外部的行为，通过行为表现（performance）的变化来作出学习是否发生的推论。
归纳起来，我们可以理解学习定义中的三个要点。第一，主体身上必须产生某种变化，我们才能作出学习已经发生的推论。也就是说，仅有练习不一定产生学习。儿童从不会叫爸爸到学会叫爸爸，这里有学习。以后仅重复叫爸爸，这种重复的活动或练习就没有学习了。 第二，这种变化是能相对持久保持的。有些主体的变化，如适应、疲劳，不能称为学习，因为这变化是暂时的，条件变化或经适当休息，这些暂时性变化就会迅速消失。第三，主体的变化是由他与环境相互作用而产生的，即后天习得的，排除由成熟或先天反应倾向所导致的变化。
学习定义中的两难困境
从上面的讨论可见，可以从外部的行为变化给学习下定义，也可以从内部的能力和倾向的变化给学习下定义。同一个心理学概念为什么有两种不同的定义呢？原因是，学习作为一个科学研究的课题是一个典型的两难问题。人的学习的实质是人的内在的能力、思想和情感的变化，但人的内在的能力、思想和情感的变化看不见摸不着，不能直接研究，因此心理学家必须根据反映人的能力、思想和情感的外部行为的变化推测其内部的变化。这种推测可能是对的，也可能是部分合理的，甚至可能是错误的。行为主义心理学强调学习的客观观察和测量，有其合理的一面；认知心理学强调学习的本质是内在的能力和倾向变化，也有其合理性。这两种观点对解释学习研究中的两难问题都有所贡献。我们不能认为，一种观点是完全正确的，另一种观点是完全错误的。读者必须充分认识反映在学习定义中的这一两难问题。
学习定义中的这种两难困境反映在“学习”（learning）与“表现”（performance）这两个术语的使用上。这两个术语一起使用时，前者意指内在的心理，后者指外在的表现。但外在的表现有时可以指学生在测验时的表现，即学生的测验得分；也可指品德表现，即学生的行为、举止；在心理语言学中，言语表现是指与言语能力（petence）相对的言语运用。
上述的学习定义是一个广义的学习定义。教育情境中的学习与日常情境中的学习不完全相同。教育是有目的、有计划的，是按照教育目标改变学生心理和行为的过程。因此，教育情境中的学习，可以定义为：凭借经验产生的、按照教育目标要求发生的、比较持久的能力或倾向变化。
学习的生物与社会意义
学习是活着的有机体中普遍存在的现象。学习的能力明显地随着神经系统的发展而提高。
从生物进化的观点来看，学习是有机体适应环境的手段。有机体适应环境有两种方式。一种是先天决定的反应倾向。这是每一物种固有的本能，如人类婴儿和其他哺乳动物生下来就会吃奶。但这种先天本能适应的环境非常有限，有些物种因适应不了迅速变化的环境而灭亡。人类婴儿和初生的动物相比，相对来说，独立能力低，天生的适应能力也低。但是人类却有动物不可比拟的适应能力。这是因为人类有机体还有另一种适应环境的方式，即学习。通过学习适应环境，其特点是迅速且广泛。本能的变化需要千万年的演进，而学习带来的变化有时只需要几分钟。
从人的发展来看，学习可以塑造和改变人性。我国宋代思想家程颐语录中说：“人生初，只有吃乳一事不是学，其他皆是学。”宋代蒙学课本《三字经》开头四句是：“人之初，性本善，性相近，习相远。”宋代思想家张载提出“学所以为人”的命题。其意思是：人只有通过学习，接受社会文化遗产和道德规范，才能作为一个社会的人存在。清代思想家王夫之进一步提出“习与性成”的思想：“习与性成者，习成而性与成也。”
在知识经济社会，科学技术日新月异。人们的工作经常变化，劳动的知识和技能也经常发生变化。为了适应迅速变化的社会，当代社会公民的学习显得更重要。关于学习的社会意义，我们无论怎么估价也不会过高。学习是教育存在的先决条件，也是教育的目的。在世界竞争越来越激烈的今天，只有善于学习、吸收一切优秀传统文化并勇于冲破传统束缚进行创造的民族，才能永远立于世界先进民族之林。
所以，学习成了哲学、心理学、生理学和人工智能等学科共同研究的对象。研究的结果首先应用于教育，包括应用于幼儿教育、基础教育、成人教育和各种职业培训。学习研究结果也可以用于心理治疗和行为矫正，如克服恐惧症、社会焦虑、抑郁症以及不良习惯。学习研究结果还可以用于动物行为训练，如教会警犬破案。人工智能专家通过模拟人的学习，改进机器人的设计。
现代生理学研究表明，学习不仅可以改变人的思想和行为，甚至可以改变人的大脑的物质结构，大脑结构的变化又改变大脑的功能组织。换言之，学习能够组织和重组大脑。
学习与脑：新近研究的结果
20世纪后期，由于脑科学研究技术的进步，神经科学和认知科学扩大了我们关于人类学习的生理机制的知识。神经科学的这些研究又证实来自发展心理学和学习心理学的研究发现，从而可以得出如下三个指导性的观点：
1．学习改变大脑的生理结构；
2．这些结构变化又改变大脑的功能组织；
3．大脑的不同部位可能对不同时期的学习具有不同的准备。
本节先解释大脑结构和功能的一些基本概念，然后从三个方面介绍学习引起脑功能和组织发生改变的相关研究。
神经元的构造和功能
人脑由120亿个特殊细胞构成。神经细胞与人体其他组织或器官的细胞不同，它们具有特殊的结构，而且具有特殊的敏感性。神经细胞是构成神经的基本单位，故又称为神经元（neuron）。
神经元主要包括细胞体、树突（dendrite）和轴突（axon）三部分（见图21）。树突是从细胞体内发出的分支，多而短，呈树枝状。轴突是从细胞体发出的一根较长的分支。从细胞体发出的这两种分支通常又被称为神经纤维。
两个相邻神经元之间事实上并未直接相连，其间有小的空隙，由一种被称为突触（synapse）的特殊联系结构相联结。来自树突和细胞体的神经冲动沿轴突只能传递至其终纽。而终纽与另一神经元之间的冲动传递依靠突触部分所发生的极为复杂的生理化学作用。终纽内的细胞质中含有极复杂的化学递质。当神经冲动传至终纽时，细胞中化学递质产生变化，导致终纽外膜移动，最后使其小泡破裂，而将神经传导的化学递质注入突触间隙，引起一种放电作用，从而激起另一神经元的兴奋，立即连续传导神经冲动（见图22）。
经验与环境对脑发育的作用
研究表明，学习使神经细胞的活动更有效和更有力。例如，有人曾以两组动物做实验，一组在复杂环境中喂养，另一组在笼子内喂养。其结果是，前者每一个神经细胞中有更多毛细血管，因而能给大脑提供更多血液；后者不论是单独喂养还是成对喂养，它们每个神经细胞中的毛细血管都较少，这就意味着它们将得到较少的氧和其他营养物。星形细胞（astrocyte）是为神经元提供营养并排除废物的细胞。用它们作指标，复杂环境中生长的动物比笼子内喂养的动物有更多的星形细胞。
经验怎样影响正常的脑和认知结构的发展？为了回答这个问题，有人用白鼠做了如下实验。一组白鼠生活在复杂环境中，它们有探索和游戏的机会，因为它们生活环境中的物体每天变换，而且被重新安排；对照组从断奶到成熟一直被置于典型的实验笼中。两组动物分别在非常丰富的环境和被剥夺的环境中生活。当它们面对学习任务时，前者一开始犯的错误就少，而且以后的学习速度也快。研究表明，学习改变了白鼠的大脑，生活在复杂环境中的白鼠比生活在笼中的白鼠的每个视觉皮层神经细胞多20％—25％的突触。这表明，通过学习，大脑神经之间的联结线路增多了。
进一步研究表明，学习能使突触数量增加，但单纯的练习并不能使突触数量增加。实验白鼠被分成四组：A组被称为“杂技演员”，通过一个月左右的练习，它们要学会穿越设有障碍物的路程；B组被称为“强制操练者”，每天被置于踏车之上一次，每跑30分钟后休息10分钟，再跑30分钟；C组被称为“自愿操练者”，它们的笼中带有活动轮盘，它们可以自由使用该轮盘进行活动；D组被称为“笼中土豆”的控制组，无操作活动。结果表明，“强制操练者”和“自愿操练者”同另外两组相比，血管密度提高。A组由于是学习复杂的动作技能，活动量并不大，血管密度未增加，而突触数量增加显著。这似乎表明，不同种类的经验以不同方式制约大脑。突触形成和血管形成是脑适应的两种重要形式，但它们是由受不同生理机制和不同行为事件驱动的。
研究还发现，动物学习特殊任务导致与任务相应的皮层的特殊区域发生变化。例如，教白鼠走迷宫，在它们的大脑皮层的视觉区发生结构变化。当它们在学习时一只眼睁开，而另一只眼被遮挡，结果只有与睁开的眼相联系的皮层区发生变化。当它们学习一套复杂的动作技能时，结构的变化出现在大脑皮层的运动区和小脑。这表明，学习使脑产生了新的组织模式。这种现象被神经细胞活动的生理学记录证实。用猫、猴子和鸟做的实验也发现了上述变化。据推测，在人类也将发生上述变化。
语言与脑发育
如果在儿童发育的适当时期提供适当刺激，脑皮层就能得到最佳发育。人类知觉音素的能力是一个典型例子。音素（phoneme）是最小的有意义语音单位。研究和日常经验表明，与成人相比，婴儿区分音素的能力更强。但是到成年期，由于得不到适当经验的支持，这些能力就丧失了。例如，土生土长的日本人不能区分“L”与“R”这两音素，而本族语为英语的人很容易区分这两个音素；中国某些省份的人不能区分“L、 N”、“en、 on”等音，对其他省份的人而言，这些音是很容易区分的。根据神经生理学的解释，在婴幼儿期，因得到语音刺激，大脑皮层相应区域的神经细胞之间突触数量增加了；后来，由于得不到适当的语音刺激，神经元之间有些突触逐渐消失，其功能也随之消失。
新近的研究进一步表明，人脑对不同的语言学习任务似乎有专门分工，听、说、阅读和用语言思维与大脑的不同区域有关。这就暗示，在语文教学中需要对儿童的听、说、读、写分别进行训练。
通过语言教学和训练，脑机能的组织也可以改变。例如，聋哑人学习手势语，他们与别人交流时，视觉系统替代了听觉系统，而手势语的知觉依赖形状、相对空间位置以及手移动的视知觉。当聋哑人用手势语交流时，不同脑神经系统加工过程代替了在正常情况下使用语言的神经系统的加工过程。在所有聋哑人的大脑内，在正常情况下，原本是加工听觉信息的某些皮层区却变得适合加工视觉信息。而且，使用与不使用手势语的聋哑人的脑有明显差异。这就是说，特殊形式的教学可以矫正大脑，使之能运用不同的感觉输入信息，从而实现适应功能。
脑功能受损或切除的病人，通过教学和长期练习，他们的言语功能可以部分或全部恢复。这些例子也表明，教学和系统训练可以对脑的功能起重组作用。
记忆与大脑加工
记忆可分为两种基本类型：陈述性记忆（declarative memory）和程序性记忆（procedural memory）。前者是有关事实或事件的记忆，主要发生在包括海马的大脑系统；后者是有关技能或其他认知运作（operations）的记忆，它们不能用陈述性的句子表达，主要发生在涉及新条纹区的大脑系统。
大脑不是被动记忆，而是主动加工信息。例如，随机呈现一列事件，被试在回忆时将事件重新排列并赋予某种意义。有人向被试呈现如下词：sour（酸味）—candy（糖果）—sugar（糖）—bitter（苦味）—good（好）—taste（味道）—tooth（牙齿）—knife（小刀）—honey（蜂蜜）—photo（照片）—chocolate（巧克力）—heart（心脏）—cake（糕）—tart（酸）—pie（饼）。在再认测试时，被试