多元智能理论：由霍华德?加德纳提出，他认为人类具有多种智能，如语言智能、逻辑 - 数学智能、空间智能、身体 - 运动智能、音乐智能、人际智能、内省智能、自然观察智能等。在数学学习中，不同学生在逻辑 - 数学智能方面的表现和发展水平不同，有些学生可能在抽象思维、数字运算上有优势，而有些学生可能在几何空间感知或数学问题解决策略的创新上更突出。分层练习可以依据学生在不同智能维度上的表现，设计多样化的练习任务，以满足其独特的学习需求。例如，对于空间智能较强的学生，可以安排更多的立体几何图形的构建、想象与分析类练习；而对于逻辑思维较敏捷的学生，可提供复杂的数学推理与证明题。
认知发展理论：皮亚杰将儿童认知发展划分为四个阶段，即感知运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段和形式运算阶段。小学生主要处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡。在这个过程中，学生的数学思维从直观形象逐步向抽象逻辑发展。分层练习要遵循这一发展规律，基础层练习注重利用实物、图形等直观教具帮助学生理解数学概念和基本运算；提高层练习则开始引导学生进行简单的抽象思维，如通过文字描述的数学问题进行分析解答；拓展层练习进一步强化学生的抽象逻辑思维，如探究数学规律、进行数学建模等，使练习难度与学生的认知发展水平相适应，促进其认知能力的逐步提升。
由维果茨基提出，该理论认为学生的发展有两种水平：一种是学生的现有水平，指独立活动时所能达到的解决问题的水平；另一种是学生可能的发展水平，也就是通过教学所获得的潜力。两者之间的差距就是最近发展区。分层练习应着眼于学生的最近发展区，为处于不同发展水平的学生提供有挑战性但又可及的练习任务。例如，对于基础较弱的学生，练习重点在于巩固其现有知识和技能，使其能够逐步独立解决与现有水平相近的问题；对于中等水平学生，练习应在其现有基础上适当提高难度，引导他们通过努力跨越到更高的发展水平；而对于学有余力的学生，设计的练习要能够充分挖掘他们的潜力，使其在挑战更高难度问题的过程中拓宽数学思维和视野，不断拓展自己的最近发展区，实现数学能力的持续提升。
强调尊重每个学生的独特性，包括学习风格、兴趣爱好、学习速度等方面的差异。在数学分层练习中，要考虑到学生的不同学习风格。例如，视觉型学习者对图像、颜色、图表等敏感，那么在练习设计中可以多使用图形、表格来呈现数学信息，或者让学生绘制思维导图来总结数学知识；听觉型学习者则更擅长通过听讲解、听故事等方式学习，教师可以提供一些数学知识讲解的音频资料作为练习辅助，或者让学生将数学解题思路讲出来并录制音频进行自我反思；动觉型学习者喜欢身体活动，在练习时可以安排一些数学实践活动、数学实验操作或数学游戏，让他们在身体运动中学习数学。同时，根据学生的兴趣爱好，如有的学生对体育赛事感兴趣，可设计与体育赛事数据相关的数学练习，如球员命中率的计算、比赛得分率的分析等，以提高学生练习的积极性和主动性，实现个性化的数学学习与成长。
布卢姆的教育目标分类学将教育目标分为认知领域、情感领域和动作技能领域。在数学教学中，认知领域的目标与分层练习关系密切。认知领域包括知识、领会、应用、分析、综合、评价六个层次。基础层练习主要对应知识和领会层面，帮助学生记忆数学事实、概念、公式等基础知识，并能初步理解其含义；提高层练习侧重于应用和分析层面，让学生能够运用所学知识解决实际问题，并对数学问题进行分解、分析其构成要素和内在关系；拓展层练习聚焦于综合和评价层面，要求学生能够将多个数学知识点综合运用，创造性地解决复杂问题，并对数学方法、策略和结果进行评价和反思。通过依据教育目标分类学设计分层练习，可以使练习目标更加明确、层次更加清晰，全面提升学生在数学认知领域的学习成果和能力水平。