數學教學設計是以教學目標為導向，以學生的學習為平臺，以學生的學習的結果為依據的一個動態過程。其核心理念是促進學生的學習，教是為了不教。因此，各種學習理論以及數學新課程的教學理念是數學教學設計的理論依據。
現代的學習理論中的行為主義學習理論和認知學習理論。
行為主義學習理論主要包括桑代克的試誤學習理論、巴甫洛夫的條件反射理論和斯金納的操作學習理論。儘管他們對學習的研究與解釋均不同，但他們對學習的認識本質是一致的，即學習是在一個特定的刺激與一個特定的反應之間建立聯繫的過程。但刺激與反應之間聯繫的建立過程，各家的觀點是有區別的。桑代克強調刺激與反應的聯繫要通過試誤的方式進行。巴甫洛夫強調條件刺激與反應之間的聯繫的形成是通過條件刺激與無條件刺激的多次配對引起的。而斯金納則強調強化刺激對刺激與反應之間的聯繫的強化作用。桑代克的試誤理論對認識數學問題的解決思路探索過程具有重要的參考作用。巴甫洛夫的條件反射理論為洞察數學符號學習的本質提供了理論框架。而斯金納的強化學習理論則對數學練習的教學，化解難點，以及良好學習習慣的形成均有直接的指導價值。
認知主義學習理論主要包括格式塔頓悟學習理論、布魯納的發現學習理論、奧蘇貝爾的有意義學習理論和加涅的積累學習理論。
行為主義者在研究人的學習時撇開了意識的作用，只關注環境刺激如何引起人的行為的變化，忽略了人類認知的內部心理過程。我們指導意識具有認識的功能，具有目的性，具有情感因素，能區分我與非我，它對學習有重大的、不可忽視的影響作用。而認知主義者則克服了行為主義者的這一缺陷，將心理過程與外顯行為的研究結合起來。他們認為，學習不是刺激與反應之間簡單的連接過程。但他們對認知結構的形成的觀點是不同的。格式塔學派強調通過頓悟，即知覺重組來構造完型。布魯納主張學習者通過認知操作，即動作表徵、映象表徵、符號表徵，採取發現學習的方式來發展自己的認知結構。奧蘇貝爾強調有意義學習，通過同化來發展認知結構。折中主義者加涅則提出了積累學習模型。
格式塔頓悟學習理論能使我們透視數學問題解決過程的本質；布魯納的發現學習理論對訓練學生發現問題、提出問題和培養創新意識有重要的指導作用；奧蘇貝爾的認知同化理論能使我們理解區分機械學習與有意義學習；加涅的積累學習模型和信息加工理論為數學教學設計提供了直接的支持。