Differenzierungslernen oder Diskriminationslernen ist die Bezeichnung für das Lernen von Unterscheidungen bzw. Diskriminationsleistungen, d. h., eine Reaktion wird nur dann verstärkt, wenn ein ganz spezifischer Stimulus, eben der diskriminierende Reiz, vorliegt, nicht aber, wenn dieser Stimulus nicht vorliegt bzw. wenn ein anderer Reiz vorliegt, der diesem mehr oder minder ähnlich sein kann. Das Diskriminationslernen ist dann erfolgreich, wenn eine bestimmte Reaktion nur bei Vorliegen des diskriminierenden Stimulus gezeigt wird.
Wenn ein Kind etwa auf ein Objekt zeigt und „Hund“ sagt, wird es für diese Reaktion nur dann belohnt, wenn jenes Objekt, also der diskriminierende Reiz, tatsächlich ein Hund ist, nicht aber, wenn es sich um eine Katze oder ein anderes vierbeiniges Tier handelt. Dadurch lernt Kinder allmählich zwischen verschiedenen Tieren zu unterscheiden, d. h., zu differenzieren bzw. zu diskriminieren.
Differenzierungslernen spielt insbesondere bei der Erzeugung von experimentellen Neurosen eine Rolle, denn im Experimentierzimmer erzeugten Neurosen dienen dem Forscher als Modelle, an denen etwa die Wirkung bestimmter Therapiemethoden erprobt werden kann.
Pawlow etwa ging bei experimentellen Neurosen so vor, dass er die Differenzierungsfähigkeit der Versuchstiere durch die extrem geringe physikalische Unterscheidbarkeit von zwei Signalen überforderte. In der Lernphase wurde das Tier darauf trainiert, zwischen einem Signal „Kreis“ (CS1) und einem Signal „Ellipse“ (CS2) zu differenzieren. In wochenlangen Versuchen wurde dann die Ellipse dem Kreis immer mehr angeglichen, so dass sich beide immer schlechter unterscheiden ließen. Die Differenzierungsleistung nahm jedoch kaum ab. Erst bei einem Achsenverhältnis der Ellipse von 8:9 änderte sich das Verhalten des Versuchstiers grundlegend. Der Hund winselte, wand sich und biss in die Messapparatur. Der Zusammenbruch der erlernten Unterscheidungsfunktion irritierte das Tier so sehr, dass es am nächsten Tag nicht einmal zwischen einer ausgeprägten Ellipse und einem Kreis unterscheiden konnte.