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支持翻转课堂的理论众多，很多理论都为翻转课堂提供了丰富的思想精髓。这里重点阐述掌握学习理论、建构主义学习理论、以学生为中心的教学理论和斯金纳的程序教学理论。
掌握学习理论源于美国教育家华虚朋（C. W. Washburne）。华虚朋曾是芝加哥市郊文纳特卡镇的学校负责人，他于1922年采用了新的教学形式，即为大众所熟知的文纳特卡制。文纳特卡制的核心是掌握学习，掌握学习的基本理念是，只要教学条件能够满足学生的需要，那么所有学生都能实现掌握学习目标，即任何学生都不会掉队或成绩不佳。
华虚朋所倡导的掌握学习完全颠覆了传统教育理念和制度。按照传统的教育理念和制度，用于学习的时间是常量，学生对概念的理解程度则是变量，这突出表现为教学内容需要在固定的课时内完成，时间一到则必须转入下一个教学内容。在华虚朋看来，在教育中的常量
b Strayer J. How Learning in an Inverted Classroom Influences Cooperation, Innovation and Task Orientation[J]. Learning Environments, 2012, 15(2): 171.应该是学生对知识和概念的高水平理解，而变量则是学生为理解问题所花费的时间。华虚朋所提出的掌握学习，有助于学生按照个人节奏实现对知识的同等水平的掌握：学得快的学生可以做一些巩固练习，而学得慢的学生可以通过单独辅导、寻求同龄人帮助或者完成额外的家庭作业的方式来赶上进度。
在20世纪20年代，文纳特卡制获得了极大关注，一些具有创新意识的教师和学校曾在课堂上试用这种新教学模式。但遗憾的是，掌握学习在后来很快淡出人们关注的视野并被彻底抛弃，主要的原因在于经济成本问题（如教科书、练习册和各种教学材料价格昂贵）、教师再培训问题和传统教育理论的压制等。
到了20世纪60年代，掌握学习这一理念在美国心理学家、教育家布卢姆（Benjamin Bloom）的倡议下再一次进入了人们关注的视野。布卢姆指出，教师在新学期开始时，常常抱有这样一种预期：班上有三分之一左右的学生可能会学得很好，三分之一左右的学生可能会学不好，另外一些学生可能会学得尚可。这种预想通过教学和评分制度传给了学生，结果成了一种“自我实现的预言”——对学生的分等接近于原先的预期。布卢姆认为，这种预期把教师和学生的目标都固定下来了：好学生总是好学生；差学生仍然是差学生。教师在给学生评分时也一般使用正态曲线，在每个班级中，如果得高分的学生多了或少了，就会感到评分松了或紧了，同样，教师也准备给一定数量的学生不及格。这种高分或不及格往往是由学生在班级中的等第次序决定的，而不是由学生掌握这门课程的知识技能的程度决定的。根据这种相对标准，有些学生注定要失败。
布卢姆认为，教育是一种有目的、有意图的活动，如果教学富有成效的话，学生成绩分布应该是与正态分布完全不同的。
在布卢姆看来，即便学生的能力倾向是正态分布的，而且确实与学生的学习水平有关，那么，只有在给所有学生完全相同的教学（同样的教学时数、教学质量以及学生用于教学的时间）的情况下，并采取适当的测量方法，学生成绩最终才有可能呈正态分布。反之，如果学生的能力倾向是正态分布的，而教学的种类和质量、学生用于学习的时间量都适合每一个学生的特征和需要的话，那么，大多数学生都能掌握这门学科，能力倾向和学习成绩之间的相关会接近于零，学生成绩分布呈偏态曲线。
布卢姆掌握学习的原理实际上是建立在卡洛尔（J. B. Carroll）的学习模式的基础之上的。卡洛尔认为，学习程度是学生实际用于某一学习任务上的时间量与掌握该学习任务所需的时间量的函数，即
实际用于学习的时间量是由这样三个变量组成的：①机会，即允许学习的时间；②毅力，即学生愿意积极从事学习的时间；③能力倾向，即在理想条件下掌握该任务所需要的时间（这是因教学质量和学生理解教学的能力而变化的）。
需要的时间量也是由三个变量组成的：①教学质量，教学质量是教学内容各要素（线索、参与、强化和反馈—矫正，其中，线索是指要学生学习什么以及在学习过程中做些什么的指导）的呈现、解释和排列秩序对学生均臻最佳程度，也即是说教师以最佳方式呈现教学内容；②学生理解教学的能力，是指学生理解学习任务的性质和他在学习该任务时所要遵循的程序的能力；③能力倾向，即学生在适应教学质量、理解教学之后，学习所需的时间。
这样，前面的模型具体转化如下：
在布卢姆看来，只要恰当注意教学的主要变量，或者说只要提供最佳的教学质量并给以足够的时间使学生在认知和情感上做好准备，就有可能使绝大多数学生（90%以上）都能达到掌握水平（得5分）。
而掌握学习就是要探讨达到这一目的的途径，制定相应的策略。具体而言，在集体教学中，教师要为学生提供经常的、及时的反馈以及个别化的帮助，给予他们所需要的学习时间，让他们都达到课程的目标要求。
从掌握学习结果看，布卢姆较早观察到，学生在一对一互动中所接受的持续反馈和矫正，能够显著促进学习和提高学业成绩。从认知成绩来看，掌握学习实验班约80%的学生达到了优或优良的成绩，而控制班上只有20%的学生能够达到这一水平。在开始教学前这两个班学生的以往学习水平、态度和能力测验成绩等方面都是基本相同的，但实验班学生所需要的学习时间比控制班学生大约多10%—15%。两个班的课堂教学时间基本一致，多余的时间通常是指在课外进行的、对有些学生所做的矫正性工作，而且，始终采取掌握学习策略的话，那么在以后的学习中所需要的时间将越来越少。
布卢姆在掌握学习中提出的几个变量以及对这些变量的分析，无疑是值得我们思考的。在新的科学技术背景下，随着计算机的普及与技术发展，掌握学习所需要的成本得以大幅度降低。只需要一台计算机，学生就可以根据个人的学习节奏制订学习方案。
在新的时代背景下，翻转课堂直接吸收了掌握学习的思想精髓。可汗学院的创始人可汗紧紧抓住历史机遇应用掌握学习这一教学模式，并前所未有地获得了广泛的社会效益。
可汗指出，掌握学习是指学生在进入更高难度的学习阶段之前，应充分理解之前所学习的概念。
可汗对于掌握学习的精辟运用生动体现在他所提出的“瑞士奶酪式学习”这一概念上。可汗指出，一般来说学校并没有按照每个学生掌握的速度来安排学习计划，而是根据对每个知识点的学习时间来决定学习进度，在按照分配的时间讲完一个知识点后，教师对学生进行测验并开始进入下一个知识点的学习。对于一个打了总分的75%的成绩来说，它意味着学生有1/4的知识点没有掌握，而这1/4并没有理解的知识点会给后面的学习造成困惑，对此可汗打了两个形象的比喻：
如果你的车只有3个轮子，你能出发进行长途旅行吗？又比如说，你会在建造自己的梦想中的房屋时只打好75%或80%的地基吗？
可汗进一步指出，每个学生都可能成为“瑞士奶酪式学习”的受害者，尽管从外部来看这块奶酪是坚硬而完整的，但里面却布满了小洞，而学生的学习状况就像这块奶酪一样漏洞百出。
基于以上质疑，可汗在对传统教育模式进行重新审视后指出，以讲课为主、对所有学生的学习进度都“一刀切”的教育模式实际上是事倍功半的。在可汗看来，翻转课堂是克服传统教育模式弊端的一大利器，让掌握学习的实现如虎添翼。翻转课堂模式将教育技术融于学习和教学之中，既有助于学生按照自己的学习进度在家中听课，然后在课堂上与教师和同学一起解决疑问，也有助于将教师从烦琐的教学中解放出来，而无须再对学生进行枯燥冗长的授课，反而能够将精力放在有针对性地帮助每一个学生上。
总之，翻转课堂为掌握学习的落实提供了支持与保障。在翻转课堂中，时间成为一个重要的变量。一方面，翻转课堂为学生提供课前的直接教学，让学生按照自己的步调进行课前自主学习，为课上主动学习活动的有效开展做好认知和情感上的准备；另一方面，翻转课堂把课堂时间释放出来，有助于提供更多的课堂师生互动和生生互动，也有助于教师把更多的时间用于辅导、激励和帮助学生。
在历史上对建构主义学习理论做出突出贡献的学者有杜威（John Dewey）、皮亚杰（Jean Piaget）、维果茨基（Lev Vygotsky）等。当代西方的建构主义是在充分吸收以上学者的基本主张的基础上，又融合了后结构主义、解释学、批判理论等哲学思潮以及认知心理学的最新成就。
杜威对教育中的灌输式教学和被动吸收式的学习进行了深刻批判，提出“教育即生活”“学校即社会”“从做中学”“儿童中心”等基本观点。杜威认为，学习不是知识的传递而是一种积极的体验，真正学习的发生要关注学生的需要、兴趣和经验，要把学生看作是参与者而不是观众，教师是推动学习过程的促进者，教师开发和设计主动作业，学生则主动参与其中。
皮亚杰提出，儿童认知发展的过程是儿童在与周围环境相互作用的过程中逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展。儿童通过对新信息的不断同化（利用已有图式将新知识纳入原有知识体系来理解事物）和顺应（为适应新情境以致必须改变原有图式）等认知过程来增加或调整已有图式，以完成对知识的主动建构，推动认知的不断发展。
维果茨基提出个体特有的心理结构和思维过程来自个体与他人的社会互动。维果茨基高度重视社会文化和历史对儿童认知发展的重要作用，认为一切都应从历史、社会文化及相互关系中加以理解。维果茨基既像皮亚杰一样考察儿童凭借自身解决各种任务的行为，又特别考察儿童在他人帮助下完成各种任务的行为（也就是最近发展区）。
为进一步理解形形色色的建构主义性质，可以从“个体—社会”维度将建构主义大致划分为个体建构主义和社会建构主义。个体建构主义来源于皮亚杰的研究。它从个体的角度对学习和认知进行深度探究，关注个体对意义的理解，强调个体自我的认知建构。这一观点将学习描述为：具有一定认知结构的个体能动地与外部环境交互作用，从而变革并建构认知结构的过程。学习的过程就是认知的重组过程。这种个体建构主义将注意力集中于个体的同时，并不否认社会交互作用的重要性，但不可否认的是，个体建构主义对于个体知识建构的关注大于对交互作用的关注。社会建构主义源于维果茨基的研究，特别是受到其社会文化观和最近发展区理论的影响。它并不像个体建构主义那样认为知识的生成只是单纯个体的内部事件，而是强调社会互动、文化工具和合作对塑造个体学习和发展的关键意义。
在社会建构主义者看来，认知活动主要是在社会共同体中展开的，并借助语言和基于语言的相互沟通来维持。
具体而言，建构主义学习理论的基本观点体现为其独树一帜的知识观、学生观和教学观。在知识观上，建构主义对知识的客观性和确定性提出了质疑，认为知识不是对现实的准确表征和关于问题的最终答案，它只是一种解释和假设，它会随着人类认识的进步而不断地更新、被推翻或取代。在学生观上，建构主义强调学生经验世界的丰富性和差异性，强调学生的巨大潜能。每一个学生进入学习情境时都并非一张白纸，每一个学生都有着不同的知识和经验。教学不能一味地从外部输入知识，而是要把学生已有的知识和经验作为新知识和新经验的生长点。在教学观上，建构主义强调以学生为中心，认为学习在本质上是学习者在一定情境下通过协作活动而实现的意义建构过程。在整个教学过程中，教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性和积极性，最终达到学生的意义建构之目的。
总之，在建构主义学习理论看来，学生不是被动等待接受知识的容器，而是一个积极寻求意义的知识建构者和创造者。学生是通过自己的经验或他人对问题的理解来协商和共同建构意义的。虽然没有一个统一的建构主义学习理论，但很多建构主义流派都认为学习应该具备以下五个条件：①复杂且具有挑战性的学习环境和真实任务；②社会协商和合作建构；③对同一内容的多种表征形式；④理解知识是建构而来的；⑤学生是学习的主体。
对于翻转课堂而言，翻转课堂将知识传递放在课前完成，把课堂时间释放出来用于开展学生主动学习，这充分体现了学生学习的个体建构特征。无论是在课前学习还是课上学习阶段，教师都是促进者和指导者，学生都是学习的主体和中心，知识由学生自己建构。在课前，学生观看视频讲座或阅读文献，在知识的识记和理解层面完成知识的初步自我建构，在课堂这一集体学习空间他们有备而来，在教师创造的问题情境下通过师生协作和会话进行积极主动的学习，最终达致知识的意义建构。
以学生为中心的教学是现代教育的基本理念，其理论基础来源于儿童中心主义、人本主义和建构主义等。在20世纪初，杜威第一次明确提出“儿童中心主义”。在20世纪中叶，罗杰斯受到杜威儿童中心主义思想的影响，进一步明确提出了以学生为中心的教学思想。以学生为中心的教学思想的提出与发展，对世界教育产生了深远影响。
自20世纪90年代中期以来，以学生为中心的教学理念开始广泛地影响高等教育教学实践。在1995年，巴尔（Robert B. Barr）和塔格（John Tagg）发表《从教到学：本科教学新范式》，这篇论文被认为是美国以学生为中心的本科教学改革中里程碑式的论文。梳理这篇论文的基本观点，有助于我们在一定程度上理解什么是以学生为中心的教学。该论文将传统的占主导地位的范式称为“传授范式”，认为在这一范式基础上大学创造了复杂的结构，提供了主要的教学活动——50分钟的授课，一所大学的使命即是提供教学。传授范式的对立面是学习范式，在学习范式中大学的使命不是教学，而是让每一个学生都以最好的方式学习。由于使命和目的的定位不同，导致两种范式在成功的标准、教学结构、学习理论、生产效率和拨款、角色的本质等方面表现出迥然不同的特点。
关于使命和目的，在传授范式中大学的使命是提供教学，大学的目的是向学生传授知识，提供课程和学位。在巴尔和塔格看来，传授范式是误把手段当作目的，它采用了所谓的“教学”方法，使之成为大学的目的，但是，“说大学的目的是提供教学，就像说通用汽车公司的业务是经营装配线，或者医疗保健的目的是要填满医院的病床”
。在学习范式中，大学的使命不是教学而是创造学习；大学的目的不是传递知识而是创造学习环境和学习经历，即让学生发现和建构知识，使学生成为探索和解决问题的学习共同体的一员。
关于成功的标准，在传授范式中大学关注资源、输入以及教师的教学表现，而在学习范式中，学生学习成果受到更多关注，学习成果包括了学生在学习经历中所做的一切，例如学生写作的页数、读书的数量、用在电脑上的时间或解决数学问题的数量，这些都是实实在在的学习成果证据，远比教师“教了什么”和“怎么教”来得具体和真实。
关于教学结构，在传授范式中大学的教学结构是原子式的，“原子”是一个50分钟的讲授课，“分子”是一个教师、一个教室和3学分的课程；“大学教育”即学生所经历的一系列离散的、基本无关的、有3个学分的课程的总和；教学过程由不变的时间来决定，由此，学生成长的边界是由时间表而不是由学生学习的标准来定义。与传授范式不同，在学习范式中课程结构和课堂结构都是弹性化的，学期、讲座、实验、课程计划等成为学生的一种选择，而不是被动接受和具有强制性的。在如何组织学习环境和创造学习经验等方面，学习范式支持能够提升学生学习成果的任何学习方法和结构。
关于学习理论，传授范式是从原子式的视角设计学习，这种范式中的知识被定义为是由教师所传递的内容构成的。教师是中心，学生被视为被动接受知识的容器。学习被认为是一个知识累积的过程，当学生接受了一定数量课时的教学时就被授予学位。学习范式则是从整体上设计学习，认为学生是教学的中心，学生是他们自己知识的主动发现者和建构者；知识是由学习者构建的知识框架构成的，知识并不是累积的和线性的——这一框架如同砖砌的墙，它是知识的嵌套和相互作用，当这些知识框架被用来理解和行动时，学习就发生了。
关于生产力和拨款，在传授范式中生产力被定义为每个学生每课时教学的成本。按照这一观点，生师比的任何增加都会威胁到教学质量。在学习范式下生产力被重新定义为每个学生每学习单元的成本。按照这一定义，不增加成本也会促进学生的学习成果。巴尔和塔格指出，以新方法替代传统的基于学期和基于课堂的讲授法，能够提升学生学习成果，其中一些新的替代方法的成本较低，许多方法以同样的成本却产生了更多的学习。在巴尔和塔格看来，没有什么比资助学习和与学习相关的院校结果（而非多少个小时的教学）更能促进向学习范式的转换。
关于角色的本质，在传授范式中教师被视为通过讲授来传授知识的学科专家。在学习范式中，教师则被看作是学习环境的设计者，他们研究并应用最好的方法来创造学习并促使学生学习成功。如果说传授范式中的教师角色是“演员”或“讲台上的圣人”，那么学习范式中的教师则是与团队互动的教练。如果说传授范式的模式是授课，那么学习范式的模式则是设计和参与团队游戏，也就是说，新的教师角色是：他不但设计游戏，而且还不断地创造和改进新的游戏，也就是创造更多更好的学习。
以上便是巴尔和塔格以学生为中心的教学理念的基本框架。事实上，当我们在使用诸如基于问题的学习、基于项目的学习、同伴教学、合作学习、协作学习等诸多主动学习策略或方法时，我们其实就是在讨论和实施以学生为中心的学习了。如图1-1所示
，主动学习包含了基于问题的学习和同伴互助学习（Peer-Assisted Learning），而基于问题的学习和同伴互助学习二者之间是一种交叉关系。同伴互助学习包含合作学习（Collaborative Learning）和同伴辅导（Peer Tutoring），合作学习和同伴辅导二者之间亦存在交叉关系。协作学习（Cooperative Learning），内在地包含于合作学习之中。
图1-1 几种以学生为中心的学习理论和方法的维纳图
主动学习的功效是非常强大的。图1-2所示的戴尔学习金字塔模型（修正版）展示了各种学习活动类型与学习成果之间的关系。
具体而言，读能够记住10%，听能够记住20%，看能够记住30%，视听能够记住50%，说和写能够记住70%，做能够记住90%。由此可见，主动学习和被动学习所可能取得的学习成果是极为不同的。对于被动学习而言，它包括读、听、看和视听等学习活动类型，所对应的学习成果是定义、举例、描述、解释、演示、应用和实践等。而主动学习包括说、写和做，所对应的学习成果是分析、定义、创造和评价等。很明显，主动学习实现的是教学目标分类体系中的高阶目标。
图1-2 戴尔学习金字塔
翻转课堂明显是一种以学生为中心的教学模式，有利于促进学生的有效学习。翻转课堂关注学生的学习需要、学习起点、个体差异、学习兴趣和学习经验，学生成为学习的主人，教师从“讲台上的圣人”转变成为“学生身旁的指导者”。翻转课堂由两大结构构成，一是以看视频讲座为主的课前学习，二是课上主动学习活动，这两大结构都充分体现了以学生为中心的教学理念。在课前学习中，学生可以自主决定学习的时间和地点，自主决定学习内容和学习进度、视频的观看次数以及回放次数，自主控制视频的播放速度，真正实现按需学习。在课堂学习中，翻转课堂模式有利于创造一个以学生为中心的课堂，因为通过把直接教学翻转到群体学习之外，有利于解放和释放课堂时间，增加知识应用，也增加一对一的个性化学习，课上关注学生的“做”或活动，关注让学生积极参与学习过程。
斯金纳（Burrhus Frederic Skinner）是美国心理学家，他在20世纪五六十年代提出程序教学（也称为机器教学）。程序教学是行为主义心理学在教学上最具代表性的应用。行为主义心理学把刺激—反应作为行为的基本单位，认为学习即刺激—反应之间联结的增强，教学的艺术在于如何安排强化。
斯金纳的程序教学以操作性条件反应和强化原理作为理论基础。斯金纳认为，行为并不是简单的刺激与反应之间的联结，在复杂的周围世界中人并不是总在被动地等待刺激，而是积极地操作环境，并在这一过程中不断地改变自身的行为方式。斯金纳把由已知刺激所引起的反应行为称为应答性行为，把有机体发出的反应称为操作性行为。操作性行为是人对环境的一种有意识的积极操纵。一种包含了操作性行为的学习过程即为操作性条件作用，人正是在对环境实施操作的过程中习得了特定方式的行为。
在斯金纳看来，人们可以安排各种各样的反应结果，以决定和预测有机体的行为。教学目标就是对学生学习结果在个体行为变化上的一种预期。斯金纳认为学生的反应是受行为结果影响的，若要学生做出合乎需要的行为反应，必须形成某种相倚关系，即在行为后有一个强化性的后果；倘若一种行为得不到强化，它就会消失。这里涉及的一个重要概念是强化。强化即在一个反应之后呈现强化物的做法，而所谓强化物就是那种能使它所跟随的反应的发生频率增加的刺激或事件。
斯金纳操作性条件作用的基本原理可以概括为：一个伴随着强化物的反应将会被增强，进而更有可能再次出现。换言之，受到强化的反应的频率可能增加，而这种频率的增加（一种行为的改变）意味着学习正在发生。操作性条件作用的重要条件有三个：一是强化物必须在反应之后出现；二是在理想情况下，强化物应紧随反应之后呈现；三是强化物必须与反应相倚，即强化物最好只在个体出现积极反应时才给予。
在斯金纳看来，程序教学的设计即是为了保证学生在学习中把错误率减少到最低限度，同时又要合理地设计教材，使每个问题（即每一小步）都能体现教材的逻辑价值。斯金纳的程序教学流程如图1-3所示：
图1-3 斯金纳的程序教学流程图
在这一流程中，教师把材料分成一系列连续的小步子，每步一个问题，整个系列由浅入深地进行安排。具体而言，程序教学的设计和实施，一般要遵循以下几个原则：
第一，积极反应原则。程序教学要求学生始终进行各种学习活动，学习结果不断得到强化，如此使学生始终处于一种积极反应和主动学习的状态。
第二，小步子原则。程序教学所呈示的教材通常是被分解成一步一步的，而且每一步之间难度的增加也是非常小的。学生在完成了前一步并得到肯定性反馈之后，才能进入下一步内容的学习。这有助于学生学习积极性和学习信心的增强以及知识的巩固。
第三，即时强化原则。程序教学特别强调即时强化或反馈，即在学生做出反应之后，应使学生立即知道其反应是否正确。即时强化有助于知识的保持和巩固，也有助于增进学生的学习信心。
第四，自定步调原则。程序教学是一种个别化的教学，不追求统一进度，而是鼓励每个学生按照适合自己的学习速度、学习能力和学习习惯来自定学习步调和稳步向前迈进。
斯金纳的程序教学理论催生出美国20世纪五六十年代的程序教学运动，并影响了世界教学改革运动。斯金纳的程序教学理论重视教学个别化，强调小步子、积极反应和自定步调，有利于学习的掌握、巩固和强化，对信息技术时代的教学尤其是翻转课堂富有启示意义。翻转课堂每一个微视频只讲述一个教学知识点，时间一般控制在10—15分钟以内，简明扼要地概述知识点，这在一定程度上遵循了小步子原则。学生可以按照自己的步调进行学习，也是一种自定步调原则。在学习视频过程之中或之后的测验、练习或作业——尤其是在部分平台上对客观题还有自动批改功能，在学习平台上围绕视频以及测验、练习或作业引发的师生之间的讨论、反馈和交流，在某种程度上遵循了即时强化原则和积极反应原则。