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早在20世纪90年代，美国哈佛大学的物理学教授马祖尔（Eric Mazur）就开始尝试使用翻转课堂同伴教学法。与传统教学更为关注学生课堂记笔记和传递信息不同，同伴教学法关注课堂互动、学生练习与应用。在课前，学生学习课程新资料，完成作业和测验，以确保为接下来的课堂学习做好准备。在课堂上，除了简短的学生讲座和其他以学生为中心的学习活动，同伴教学法的核心结构是概念测试题。概念测试先由全班学生匿名作答，然后教师呈现正确和错误答案的百分比。如果出现了较多的错误答案，教师则组织学生开展小组讨论，教师在教室中巡视并引导学生进行深入互动。这一方法在一定程度上充分利用和扩充了课堂时间，有利于发展学生的高阶思维技能。马祖尔的同伴教学法被认为是当代高校翻转课堂的早期实践之一。
1995年，美国塞达维尔大学的贝克（Wesley J. Baker）教授开始把PPT放到网上，让学生在课前阅读和学习PPT。之所以让学生在课前阅读和学习PPT，是因为他观察到他所教授的沟通课上的学生只是逐字抄写PPT上的讲授内容却没有加工信息。他的理念是让教师从“讲台上的圣人”转变成为“学生身旁的指导者”。这一理念内在地包含有四个要素，即阐明、扩展、应用和实践。具体而言，学生在课前学习PPT等相关资料，教师在课上阐明和解释概念，并进一步扩展基本信息，之后，学生组成小组应用概念来进行深入学习。学期末的调查结果表明，学生在合作学习活动中从同伴那里获益良多。贝克把这一新的学习过程称之为“课堂翻转”（Class Flip），并于2000年在一次学术会议上对这一理念进行了传播。
2000年，美国迈阿密大学的经济学教授拉赫（Maureen J. Lage）、普拉特（Glenn J. Platt）和特雷利亚（Michael Treglia）开始在“经济学导论”这门课上实施翻转课堂。在课前，学生利用教师提供的各种学习资料，如各种阅读材料、视频、有声PPT、打印版PPT，自主学习新知识，在课堂上则分组讨论给定的材料，应用所学原理回答问题，同时进行课堂展示。教学结果表明，这种方法有利于激发学生的学习动机，促进学生有效学习。
翻转课堂在之后的进一步发展，离不开美国科罗拉多州林地公园高中的两位化学教师伯格曼（Jonathan Bergmann）和萨姆斯（Aaron Sams）。为了给缺课的学生补课，他们开始使用视频录制软件制作有声PPT，放在网上方便学生随时随地访问。在2006年，他们尝试使用翻转课堂教学模式。他们对翻转课堂长达十余年的实践引起了全世界的关注，两人合著的《翻转课堂与慕课教学：一场正在到来的教育变革》和《翻转学习：如何更好地实践翻转课堂与慕课教学》等系列著作在全球掀起了翻转课堂的变革热潮。他们的实践表明，翻转课堂能提高学生的学习成绩，激发学生的学习兴趣，有利于转变教师的传统角色并改善师生关系。
创建于2006年的可汗学院，是全球基础教育翻转课堂变革与发展的另一个著名案例。2011年，可汗学院的创始人可汗（Salman Khan）在TED大会上发表了引起全球关注的“用视频重塑教育”的主题演讲，使得世界范围内越来越多的学校和教师纷纷加入翻转课堂的实践队伍中来。可汗由于其突出的贡献于2012年入选《时代周刊》“全球100大最具影响力人物”。可汗学院翻转课堂的实现建立在可汗学院网站这一在线平台之上。可汗学院在线平台课程具有模块化教学、自主学习和快捷反馈等主要特征。对于中小学校而言，为了让学生充分实现掌握学习内容，部分学校与可汗学院合作开展教学实验，而更多的学校则基于可汗学院在线平台实施翻转课堂。
关于什么是翻转课堂，拉赫等人曾给出一个比较简洁的定义：“翻转课堂意味着以前在课堂上做的事情如今在课堂以外做，而以前在课堂以外做的事情如今在课堂上做。”
这一定义展现出了课内和课外顺序的调换。
范德堡大学教学发展中心给出的翻转课堂定义是：“翻转课堂是对传统教学的一种翻转，学生首先在课外接触课程即将学习的新材料（通常是阅读文献或观看视频讲座），然后在课堂时间通过问题解决、讨论或辩论等策略完成知识的内化。”
这一定义没有排除那些在课外不采用视频的学习活动（例如课外文献阅读），这样一个较为广义的定义，有助于我们全方位地理解翻转课堂的精神实质和本质特征。
通过对“翻转课堂是什么”的回答，可以把握翻转课堂的基本特征。例如，伯格曼等人指出：
· 翻转课堂是一种旨在增加师生互动的教学方法；
· 翻转课堂让学生对自己的学习负责；
· 教师不是“讲台上的圣人”而是“学生身旁的指导者”；
· 翻转课堂是直接教学与建构主义学习相结合的混合性教学；
· 翻转课堂是一个学生因病或因课外活动而缺课但不会被落下的课堂；
· 翻转课堂是内容将被永久存档以供复习或补习的课堂；
· 翻转课堂是每一个学生都投入学习的课堂；
· 翻转课堂是每一个学生都接受个性化教育的课堂。
通过对“翻转课堂不是什么”的表述，可以帮助我们进一步领会翻转课堂的内涵。例如，伯格曼等人指出：
· 翻转课堂不是在线视频的同义词，在课堂上面对面的时间里，互动和有意义的学习活动是最重要的；
· 视频不能取代教师；
· 翻转课堂不是在线课程；
· 课上活动不是没有结构的学生活动；
· 翻转课堂不是学生在整堂课上都要盯着电脑屏幕；
· 翻转课堂不是学生的独立学习。
我们可以把翻转课堂的结构简要表述为：翻转课堂=课前学习+课上主动学习。翻转课堂翻转了传统课堂的结构。在一个典型的传统课堂上，学生在课堂上听教师讲课，然后在课后通过做作业等进一步深化课堂所学。但在一个典型的翻转课堂上，学生首先在课前观看教学视频或阅读文献，然后在课堂上投入主动学习活动。应该说，传统课堂与翻转课堂之间的一个明显的区别是，在传统课堂上学生是在课堂上才第一次接触到课程新材料，或者说学生在进入课堂时对课程具体内容基本上是“一无所知”，而翻转课堂则是相反。
“翻转学习”是从学生学习角度对“翻转课堂”的另一种表述，因为归根结底，“教”是为了促进学生的“学”。美国Flipped Learning Network网站给出的“翻转学习”的定义是：“翻转学习即直接教学从面向群体学习空间转向面向个体学习空间，而群体学习空间则转变成为一个动态的、互动的学习环境，学生在其中应用概念和进行主动学习，教师则在身旁进行指导。”
翻转学习环境的最重要因素是对课堂时间的重新利用，因为直接教学不再面向集体，不必占用每个学生的课堂时间，而是让每个学生有所准备后进行深度学习。翻转学习并没有摈弃讲课或其他直接教学方法，它只是把讲课从群体学习空间抽走，以最大限度地保障课程内容的覆盖面，增加课上的师生互动时间，促进学生主动学习。
翻转课堂不仅仅翻转了时空、流程和结构，更是一种教学范式的转换。学生在课外实现的是布卢姆教学目标中的低阶认知目标（知识、理解和运用），在课堂上在同伴和教师的支持和帮助下则专注于高阶认知目标（分析、综合和评价）的实现。师生的角色和期望也发生了改变，学生成为学习的主人，教师则从“讲台上的圣人”转变成为“学生身旁的指导者”。从教学方法看，课堂教学是为了促进学生主动学习，关注课堂师生面对面环境下的概念探究、意义建构和知识应用。
一个鲜明的时代特征是，翻转课堂的迅猛发展得益于主动学习与教育技术的结合。就教育技术而言，其优势主要体现在以下几个方面：①方便学生自定步调的学习；②提供各种形式的学习材料（如文本、视频、音频、多媒体），以适应学生不同的学习方式；③利用各种工具（测验工具、讨论工具、内容创建工具）提供课内外交流和互动的机会；④传递即时信息（如微博、发布工具等）；⑤利用在线测验或问卷调查等提供学习反馈与评价；⑥利用数据分析学生学习进步情况，识别学习困难的学生。
在实践中，部分教师把翻转课堂视为是高不可攀、遥不可及或是某种教育技术的东西。但一个课堂是不是翻转课堂，并不在于其课前学习是否采用了视频讲座等教育技术形式。面对不同的学科、不同的教师和不同的学生，翻转课堂所可能采取的形式也是多样化的。也就是说，判断翻转课堂的依据不是课前媒体形式，而是课堂结构一定程度的翻转。在一个课堂上，只要是教师不再是中心，学生成为教学的中心，我们都可以把它视为某种形式的翻转课堂。这样的思路，可以纠正我们当前对翻转课堂所持有的僵化的乃至形式化的理解。
还需要指出的是，翻转课堂和混合式学习这两个名词常常互换使用。混合式学习是结合传统学习方式与E-Learning 的优势，既发挥教师的主导作用，又充分体现学生的主动性、积极性和创造性。
或者可以说，混合式学习是翻转课堂的指导思想，而翻转课堂则是混合式学习的具体实施方案。
美国Flipped Learning Network网站指出，教师单纯通过让学生在课外阅读课文、观看视频或解决更多的问题来“翻转”课堂，这仅仅是一种表面形式。为了让学生真正投入翻转学习，教师必须在实践中整合和优化以下四大支柱或要素：
第一，灵活的学习环境。
灵活的学习环境，表现为多样化的学习方式、灵活的学习进程和评价。翻转学习允许多种学习方式，教师对不同类型的学习单元安排灵活的学习空间，以支持小组学习和个人独立学习；学生对学习时间和学习地点的选择是自由的；教师对学生学习进程的预期及其学习评价是灵活的。
第二，以学生为中心的学习文化。
在传统的以教师为中心的教学模式中，教师是主要的信息来源。相比之下，翻转学习模式特别关注以学生为中心的学习，在课上时间创造丰富的学习机会，让学生深入探讨某一主题，主动参与知识的建构。
第三，精心设计教学内容。
教师要持续不断地思考如何利用翻转学习模式帮助学生习得知识和技能。教师要决定他们需要教什么，以及学生应该自己探究什么。依年级和学科内容的不同，在设计翻转学习体验时，为最大限度地利用课堂教学时间和运用多种主动学习方法，教师要仔细考虑将哪些内容移出课堂，又将哪些内容保留在课堂。
第四，教师作为专业教育者。
教师始终是翻转学习发生的核心要素，教学视频等不能取代训练有素的专业教师的指导者角色。与传统课堂相比，翻转课堂对教师的要求更高：教师要不断观察学生，提供及时反馈，评价学生学习，同时善于在教学实践中进行教学反思和教学改进。
在翻转课堂研究中有关同伴教学法（Peer Instruction）和即时教学（Just-in-Time Teaching）的研究成果相对较多。同伴教学法和即时教学既可以单独使用，也可以联合使用。大体的做法是：学生被要求在课前完成课本阅读和网上测验，课堂上课伊始进行测试，然后学生与邻座同学一起检验自己的答案。在学生对正确答案有重大分歧时，教师启用微型讲座和同伴互助教学，余下的时间则用于小组学习活动。相关研究表明，翻转课堂同伴教学在生物、物理、计算机以及人文学科等课堂都能有效提高学生学习成绩，学生对于翻转课堂的喜欢程度显著高于传统讲授课堂。
以弗里曼（Scott Freeman）的同伴教学为例。弗里曼是华盛顿大学一位广受学生欢迎的教授。尽管他所教授的“生物课180”很受学生好评，但他决定对该课程17%的不及格率做出改变。他认识到可能的问题在于学生不能在课堂上对所学习的知识进行批判性应用。他尝试采用翻转学习模式，其大体的做法是：学生在课前完成课本阅读并完成网上测验，在课堂上手持Clicker（一种课堂应答系统）对教师测试进行应答，测后与邻座同学讨论和检验答案。学生在这门课程上的学习效果非常好，因为学生不及格率从17%降至4%，且学生优秀率从14%上升到24%。实施翻转课堂之后，弗里曼教授继续获得学生的好评，例如有同学这样评价说：“说实话，这是我在华盛顿大学所修全部课程中最令我耳目一新的一门课，我不但在这门课上学到了很多东西，而且我还在考试后记住了很多东西。”
翻转课堂促进学生有效学习的研究来自诸多学科，例如数学、工程学、英语、现代教育技术、计算机等。拉赫等人有关经济学翻转课堂的研究比较具有代表性。他们的研究显示，翻转课堂教学与学生的学习风格匹配良好，学生认为他们在翻转课堂上的收获大于传统课堂，他们喜欢动手实践、小组活动、与同伴互动，而且感觉在非正式的翻转课堂上进行提问更为舒适。
对学习数学的学生来说，他们在传统讲授课上的最大挑战是解决实际问题，因为他们在课堂以外无法获得同学和教师的帮助。有鉴于此，密歇根大学安娜堡分校数学系微积分课程采用了翻转课堂模式。为保证学生真正理解微积分的核心概念，教师设计了一个由22个问题组成的概念测试，考查学生对基本概念的理解。当学生做练习时，教师给予指导和纠正。在课堂上，学生展示答案并开展小组学习。研究发现，翻转课堂上学生的学习收获比传统课堂学生高出一倍。
翻转课堂的优势同样体现在大课堂上。加拿大英属哥伦比亚大学的物理课教师为更好地激励大班课（250人以上）本科生积极投入学习，决定开展翻转课堂教学实验。在实验中，在学期的最后一周，一位教师在其中一个班上仍然采用传统讲授法，另一个班的教师则采用翻转课堂模式。在翻转课上，学生在课前需要阅读课文并参与在线测验，在课上与同伴讨论并回答问题，完成小组主动学习任务，并接受教师反馈。实验结果表明，翻转课堂既提高了学生的学习成绩，也提高了学生学习参与度：实验组学生在翻转课堂部分的出勤率提高了20%，且参与度增长了40%，多项选择题测验分数比控制组学生高出一倍。学生很喜欢这一翻转实验，有90%的学生表示他们喜欢最后一周的翻转学习。
宁可为、顾小清和王炜等人对国内外70篇采用随机实验或准实验的相关研究文献进行了元分析，研究结果表明：相较于传统教学模式，翻转课堂模式在学习成绩、认知技能以及情感态度等方面均能产生积极的影响；翻转课堂更倾向于被应用在理工科和医科，且在操作性较强的工科和医科中的应用效果要优于在抽象逻辑思维能力较强的理科中的应用效果；翻转课堂的应用效果与学习者的年龄段和实验周期均成正相关。
无独有偶，王翠如和胡永斌也采用元分析方法，对国内外38项翻转课堂对学习成绩影响的实验与准实验研究进行了量化分析。研究发现：翻转课堂对学习成绩有中等偏小的积极影响；与其他学科比较，翻转课堂应用于数学教学对学习成绩影响最大，具有更好的应用前景；翻转课堂应用于小规模教学相较于中、大规模教学对学习成绩的影响更大；与低学习成就学生相比，高学习成就学生的成绩进步更为显著；翻转课堂应用于中学和大学对学生的学习成绩有改善和提升作用。
可以看出，翻转学习模式虽然未必是促进有效教学的唯一方法，但它的确能够更好地促进有效教学的实现。然而，并非所有有关高等教育翻转学习的研究都报告其有积极的效果。
究竟哪些因素影响了翻转课堂有效教学，谁会从翻转课堂模式中受益，是否存在学科、年级和性别的差异等，这些问题还需要进一步深入的研究。