从神经科学的视角来说，教与学是儿童大脑和心理发展的重要部分，与学习经验相连的活动促使神经细胞创造出新的突触。在学习过程中，大脑所发生的变化似乎使神经细胞变得更加有效或有力。可以说，学习改变着大脑的物质结构，而这些结构的变化又相应地改变了大脑的功能。所以，人的错误想法一旦建立就很难改变，及早帮助儿童建立对自然现象的正确认识，将有助于其一生的发展。
另一方面，从认知科学的相关研究也能看到，以概念为载体的学习对儿童的认知发展具重要意义。
·对专家和新手差异的研究·
认知科学家们对专家和新手的差异的研究显示：专家推理和解决问题的能力取决于良好组织起来的知识，这些知识网络影响他们所关注的事物和问题再现的方式。
专家的知识是围绕重要观点或概念来组织的，这意味着课程亦应按概念理解的方式组织。许多课程设计的方法使得学生难以进行有意义的知识组织，通常在转入下一主题前，只是能触及到一些表面性的事实知识，而没有时间形成重要的、组织起来的知识。从这点来看，没有概念为载体的学习显然不利于学生了解知识的组织模式。对于小学生而言，没有概念为载体的学习将不利于其对知识的理解和组织，也不利于后续的科学学习。
·对学生概念转变的研究·
认知科学家们从20世纪70年代开始关注学生教学前概念的研究。虽然到目前为止，在对科学概念转变的界定、过程、作用机制等仍在争论中，但儿童在学习过程中存在一定的前概念，学习需要基于学生原有基础的教育理论已得到公认。
Chi和Roscoe把学生的原有概念分成两类：一类是前概念（Preconception），这一类概念通过教学是比较容易改变的；另一类称为错误概念（Misconception，也有译为“迷思概念”），这类错误概念比较牢固、很难改变，即使是面对观察到的事实，也常常不易改变。如果学习之前就存有错误的理解，这些错误再纠正起来就会较为困难，如：儿童可能将生活经验错误地联系起来，认为四季的温度差别是太阳与地球的远近差异引起的。
有研究者（Gooding, Metz，2008）给出了帮助学生认识到自身错误概念的策略，包括要求学生给出说明，要求学生给出证据，要求学生给出评价等等。这些策略本身就指向学生探究能力的培养，可见，当教学围绕学生的错误概念展开时，教师不得不采用观察、实验、讨论、甚至辩论等教学策略，而学生的探究能力也将在这些策略中得到发展。
·对学生科学学习进展的研究·
对学生科学学习进展（Learning Progression）的研究是本世纪初以来科学教育研究的热点问题。
学习进展是基于教学经验和研究而形成的对学生学习进步方向的预设。这些预设说明学生在掌握主要科学概念的进程中的普遍规律和路径，是建立在对学生真实学习过程进行的实证研究基础上的。学习进展的研究揭示出学生获得学业成就的一般过程，在一定程度上说明了学生科学学习的认知发展。
美国NAEP评测框架和2010年公布的科学课程框架草案（现已发布正式版）中都将学习进展作为新一轮科学课程改革的有效依据。国内学者在分析NAEP的科学评价框架时也提出，构建评价内容最为关键的是要与学生认知发展相匹配。可见，唯有遵循学生认知发展的评价内容体系，评价反馈的结果才能有效促进科学课程与教学的概念。
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