מערכת הוראה חכמה היא תוכנה שנועדה לעשות את מה שעושה מורה פרטי טוב: לזהות היכן הלומד תקוע ולתת לו את ההסבר או התרגיל הנכון לרגע הזה. מבחינה הנדסית היא בנויה מארבעה מודלים. מודל התחום מחזיק את הידע, הכללים ודרכי הפתרון של המקצוע הנלמד. מודל הלומד מחזיק הערכה מתעדכנת של מה שהתלמיד יודע ואינו יודע. מודל ההוראה מחליט מה לעשות בכל רגע — לרמוז, להסביר או לעבור לנושא אחר. ומעליהם ממשק המשתמש, שדרכו מתנהל הדיאלוג.
ההיסטוריה ארוכה מהצפוי. כבר ב-1924 בנה סידני פרסי מכונת הוראה מכנית; בשנות ה-50 וה-60 פיתח ב"פ סקינר מכונות הוראה מבוססות גישה התנהגותית; בתחילת שנות ה-70 פותחה מערכת PLATO באוניברסיטת אילינוי; וב-1983 יושמה LISP Tutor, שהדגימה לראשונה יעילות מעשית של הגישה.
הראיות ליעילות חזקות יחסית למקובל במחקר החינוכי. מטא-אנליזה מ-2015 מצאה גודל אפקט חציוני של 0.66 לטובת מערכות הוראה חכמות, כאשר 92 אחוזים מתוך 50 מחקרים מבוקרים העדיפו אותן על הוראה כיתתית רגילה. סקירה מ-2011 מצאה שאין הבדל סטטיסטי מובהק בין מערכות מודרניות לבין מורה אנושי מומחה המלמד אחד על אחד.
שני סייגים חשובים לנתונים האלה: מחקר מוקדם יותר, מ-1995, מצא אפקט של 1.0 למערכות לעומת 2.0 למורה אנושי; ובאותה מטא-אנליזה מ-2015 עמד האפקט על 0.73 במבחנים שנבנו לצורך המחקר, אך רק על 0.13 במבחנים סטנדרטיים חיצוניים.
המחיר מתגלה בפיתוח. קידוד שעת הוראה אחת דרש בגישות המסורתיות סדר גודל של מאתיים עד שלוש מאות שעות עבודה, מה שהפך מערכות רבות לבלתי כדאיות מסחרית והשאיר אותן בעולם המחקר. ביקורת נוספת נוגעת לאיכות הלמידה: תלמידים לומדים לשחק ברמזים עד שהמערכת חושפת את התשובה, וההבנה נותרת שטחית. ומעצם הגדרתה, המערכת מוציאה מן התמונה את ההיבט החברתי של למידה בכיתה.