هدف البحث إلى بناء نموذج تدريسي مقترح قائم على نظرية التعلم المستند للدماغ لتدريس وحدتي النسبة والتناسب والتغير الطردي والتغير العکسي, والإحصاء من مقرر الرياضيات, ودراسة فاعلية النموذج المقترح في تنمية الفهم العميق للرياضيات ومهارات ما وراء المعرفة لدى تلاميذ الصف الثالث الإعدادي. وتکونت عينة البحث من (94) تلميذا وتلميذة قسمت إلى مجموعتين, مجموعة تجريبية قوامها (48) تلميذًا وتلميذة درست باستخدام النموذج التدريسي المقترح القائم على نظرية التعلم المستند للدماغ, والأخرى ضابطة قوامها (46) تلميذا وتلميذة درست المحتوى نفسه باستخدام الطريقة المعتادة في التدريس. وقد تم التوصل إلى عدة نتائج منها: وجود فرق دال إحصائيًا عند مستوى (0,01) بين متوسطي درجات تلاميذ المجموعتين التجريبية والضابطة في اختبار الفهم العميق للرياضيات ککل ومکوناته الفرعية (مهارات التفکير التوليدي – مهارة اتخاذ القرار – مهارة التفسير – مهارة طرح الأسئلة) کل على حدة وذلک لصالح تلاميذ المجموعة التجريبية. وجود فرق دال إحصائيًا عند مستوى (0,01) بين متوسطي درجات تلاميذ المجموعتين التجريبية والضابطة في مقياس مهارات ما وراء المعرفة ککل ومکوناته الفرعية (مهارات التخطيط – مهارات التحکم والمراقبة – مهارات التقويم) کل على حدة وذلک لصالح تلاميذ المجموعة التجريبية. وجود علاقة ارتباطية موجبة ودالة إحصائيًا عند مستوى (0,01) بين الفهم العميق للرياضيات ومهارات ما وراء المعرفة لدى تلاميذ الصف الثالث الإعدادي. وفي ضوء النتائج السابقة تم تقديم بعض التوصيات والمقترحات.