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关于学习现象的研究经历了从哲学研究、基于实验室科学研究到关注自然情境多学科整合研究的三次转变，逐步形成了系统而科学的学习理论，也逐步转向了关注真实学习情境中复杂学习现象的学习科学研究。
作为一种主动的、基于真实情境的、批判性的、有意义的学习方式，深度学习是当前学习研究的重要内容之一，对其认识和理解是建立在多种学习理论的基础之上的。在学习科学领域，诸多学习理论都与深度学习的核心概念、特征及过程有关联，为深度学习发生的环境、学习过程及学习结果等方面提供了理论参考与实践指导。在学习理论中，认知灵活性理论、情境认知理论、分布式认知理论、人本主义理论，以及元认知理论是深度学习的主要理论基础。其中，认知灵活性理论为深度学习知识的建构特性及随机通达教学奠定了基础，情境认知理论为深度学习环境设计提供了科学依据，分布式认知理论为深度学习的深层交互与群体意义建构提供了强有力的解释，人本主义理论赋予了深度学习尊重人的价值及重视个体主观能动性的内涵，元认知理论为深度学习的反思与自我监控提供了理论依据。