人类大脑有发育发展的过程，脑的高级皮层发育有一个较长的时程，在个体神经系统发育过程中，最先成熟的脑区是那些具有最基本功能的区域，即处理感觉和运动的脑区等。联合皮层，比如与空间定位和很多高级功能有关的顶叶皮层，则成熟得较晚。最后成熟的联合皮层脑区是前额叶皮层，一般认为它具有更高级的功能，如整合来自感官和推理的信息。个体的前额叶甚至直到30岁左右才基本发育完整。
这就是为什么儿童必须到一定年龄以后，才能学习一些复杂的知识技能。例如，在儿童的教学中，分数和有理数是小学生学习中众所周知的难点。人类大脑的顶叶和前额叶对数字的处理至关重要，如前所述，这些皮层区域的发育成熟较晚。从脑功能的角度看，这些皮层的晚熟，可能就是绝大多数儿童只能在年龄比较大一些时才能习得分数和有理数概念的重要原因之一。
脑发育不是呈线性增长，会有一些特别的节点出现。新生儿大脑约有300g，三岁时长到约1100g，这时期儿童的语言发展非常快。儿童六岁以后脑的大小已经很接近成人，此后虽然脑体积不再显著增长，但各个脑区之间的联系持续性地变得更加紧密。同时，儿童在这个阶段的智力发展也有很大的飞跃。
2011年，Nature杂志发表的一项研究显示，儿童青少年从12-14岁到15-17岁，智商发生了重新分化，有的孩子 “逆袭”，从第一次测量时的普通孩子到第二次测量时成为高智商孩子，而另一些孩子则“掉队”变成了智力边缘落后孩子，他们脑结构发育上也有相应特征。因此，青春期可能是认知能力发展“重新洗牌”的时期。
相关研究表明，儿童智能发育至少存在着九大关键期：
语言关键期（0-6岁）
秩序关键期（2-4岁）
感官关键期（0-6岁）
对细微事物感兴趣的关键期（1.5-4岁）
动作关键期（0-6岁）
社会规范关键期（2.5-6岁）
书写关键期（3.5-5.5岁）
阅读关键期（4.5-5.5岁）
文化关键期（6-9岁）
在儿童发展与教育过程中，抓住关键期非常重要，这与意大利幼儿教育家蒙台梭利提出的“敏感期”的概念相似：“孩子在他们的敏感期，会表现出惊人的能力”。例如：2～3岁是语言发展的敏感期，如果错过这一时期在后期无论花费多大的努力都很难弥补。
脑科学研究的证据表明，脑发育在个体之间有快慢之分，智力在个体之间也有差别；从纵向维度看，学生处于不同年龄段，智力的发展水平有差异;从横向维度来看，在同一阶段，学生在不同方面的能力也存在差异。人和人之间的智力差别取决于脑的可塑性到底有多长的周期：超高智商的孩子，皮层中变化的时间可以一直延续到十几岁；而普通孩子在九岁时，基本就探测不到这个变化了。
学校必须根据学生的不同学习能力提供差异化的指导，通过多种手段提供核心课程，包括灵活的分组、加速的内容、独立的学习、分层作业、兴趣中心、学习中心、学生强项的辅导、进阶课程等。对那些具有极高水平的抽象思维、动机、兴趣、成就的学生，应该提供特殊课程和适当的学习环境激励他们自由发展。
