Вот что пишет Розенталь (§ 48. Прямая речь после слов автора):
…в функции слов, вводящих прямую речь, используются глаголы, обозначающие чувства говорящего, его ощущения, внутреннее состояние (вспомнить, обрадоваться, огорчиться, удивиться, обидеться, возмутиться, ужаснуться и т. п.), а также глаголы, обозначающие мимику, жесты, движения (улыбнуться, усмехнуться, рассмеяться, захохотать, вздохнуть, нахмуриться, подойти, подбежать, вскочить и т. п.). И те и другие глаголы допускают добавление к ним глаголов речи (обрадовался и сказал; удивился и спросил; улыбнулся и ответил; подбежал и воскликнул и т. д.), поэтому они воспринимаются как слова, вводящие прямую речь.
[Она улыбнулась ему:
— Поторопись, хулиган, скоро урок.]
Я думаю, что здесь можно использовать ту же самую интерпретацию, только наоборот — слова автора после прямой речи не являются отдельным предложением.
— А теперь пройдёмте в вашу комнату, ваша милость, – обворожительно улыбнулась ему хозяйка. — Я сама прислужу вам (М. Гилл. Ветер пыльных дорог).
— Вроде не молодые уже, а вели себя как школьники, — молодой человек смущённо улыбнулся (М. Серова. Дама с мертвой хваткой).
Многое зависит от ситуации: если предполагается, что кто-то говорит и улыбается в этот момент (и мы это знаем или чувствуем по контексту), то, конечно, лучше слова автора начинать со строчной буквы.
— Спиртного в буфете нет, – она улыбнулась ему и добавила: – Вообще, важные вещи надо делать на трезвую голову – согласен? (А. Симатов. Остров с зеленой травой)
Дополнение (после правки вопроса)
— Начнем урок. — Учитель повернулся к доске, дети зашуршали тетрадями.
— Что вы еще спрашиваете?! — злобно заревел профессор. — Все равно он уже пять раз у вас умер. Колите! Разве мыслимо! — Лицо у него при этом стало как у вдохновенного разбойника (М. Булгаков. Собачье сердце).
Примеры предложений и подробные разъяснения можно посмотреть здесь:
Может ли авторский текст, разделяющий прямую речь, начинаться с прописной?