レクチャー・ラボ統合型授業による機械システム設計教育 ～東京工業大学機械知能システム学科の試み～ 東京工業大学 岩附信行 １．はじめに 工学部機械系学科の伝統ある機械設計・製図教育は 改革の岐路に立っている．先端的な工学に振り向ける ための授業時間の圧縮の要請，3D-CAD/CAM を代表と する IT 技術の急速な進歩への対応，電子化に伴う受講 学生と設計対象である「機械」の乖離，したがって， 「も のつくり」への渇望はあれど「機械」の分解の経験す らない学生達，堅実な設計だけでなく「創造性」も鍛 えよという要請，など直面する課題が多い． これらを解決するためには，効率的でかつ系統的な 新たなカリキュラムを再構築する必要があるのではな かろうか．その際，設計製図科目に限らず，４力学を 代表とする機械工学の基幹科目との連携，のみならず 総合的な再構築が切り離せない．もっとも，基幹科目 の目指す終着は「機械の創造＝設計」のはずであり， 連携は必須であろう． このような観点から，東京工業大学工学部機械知能 システム学科では，レクチャー・ラボ統合型授業[1]を導 入した大幅なカリキュラム改革を行い，とくに機械シ ステム設計教育の革新を図っている．ここではその概 要をご紹介させていただく． ２．Ｆゼミ実習授業「機械工学系リテラシー」 教育の効率化のためには，初年次教育も重要である． 東京工業大学工学部４類（機械系１年生の所属組織） では，これまでのＦゼミ科目を改革し，機械工学系リ テラシー」を開講した．これは， 「ものつくり」を渇望 する学生の期待に応え，２年の学科所属以降に学ぶべ き機械工学の基礎に触れつつ高校の理数系教育から大 学での工学系教育へのスムースな意識改革を支援する ことを目的とした実習授業であり，1)グループで考え発 表する，2)ものの情報を伝える，3)ものの形を創る，4) ものを加工する，5)ものを動かす，6)ものを操る，の６ テーマを各４週ずつ受講して通年で単位取得するよう になっている[2]． とくに，2)では，機械製図の基本である等角投影図な らびに第三角法製図を学び，３次元立体の認識と表現 について理解させ，3)では 3D-CAD と FEM ソフトウ ェアを駆使して，機械部品の強度や振動特性を考慮し た機械設計のプロセスを体感させている．図１はその 際の３次元アセンブリの応力解析の例である． 図１ 機械工学系リテラシー「ものの形を創る」 における 3D-CAD/CAE 設計の例 また，(4)では汎用工作機械による機械加工と精度測定 を体験させており， 「ものつくり」における加工法と精 度の重要性を示唆するようにしている． 機械知能システム学科では，この授業を前提として， ２年次以降の機械システム設計に関する授業指針とし て以下のことを策定した． 1)製図における投影図の作図や汎用工作機械による機 械工作実習は大幅に縮小する 2)単なる製図ではなく，機械工学の基幹科目に立脚した 設計実習とする． 3) CAE ソフトウェアの活用を図るために，3D-CAD に よる設計・作図を用いる． 4)設計結果を実際に試作する機会を設ける． ３．レクチャー・ラボ統合授業に基づくカリキュラム ２年次以降の学科の専門教育カリキュラム全体につ いても大改革を加えた．まずカリキュラム検討の結果， 1) 授業担当教員間の連携の不足，2) 講義と実験の乖離， 3) 創成科目の必要性，4) レポート作成・プレゼン手法 の系統的教育の必要性，が指摘された．そこで，1)， 2)の課題解決のために，機械工学の基幹科目を同一日内 に１学年全員が講義・演習・実験を履修するレクチャ ー・ラボ統合型授業[1],[4]を創設した． この授業の一覧を表１に示す．講義・演習・実験を 統合したのみではなく，理解の効率化を図るために， 基礎式や実験検証に共通性がある科目は統合している． 基本的に１日１科目 5～6 単位の大型授業になり，複数 の教員・TA が担当する．もっとも重要なことは，講義 の直後に全員が実験実証を体験できることであり，従 来の，グループ毎に講義と前後して各研究室で実施さ れる実験と異なり受講生の理解が促進される．そのた めには，小型可搬でありしかも工学原理がしっかりと 理解できる実験装置を多数，開発する必要がある．図 ２は， 「変形と振動の力学第一」における実験の様子で あり，TA の指導の下，剛体振子の固有振動数の測定を 行っている． ２年前後期と３年前期でのレクチャー・ラボ統合授 表１ レクチャー・ラボ統合授業 講義名 学期 変形と振動の力学第一・第二 2 年前後期 機械力学，材料力学 エネルギーと流れ第一・第二 2 年前後期 熱工学，流体力学 設計と生産の工学第一・第二 2 後・3 前 運動学,加工学,設計学 メカトロニクス工学 3 年前期 制御工学，電子工学 図２ 統合した学問分野 レクチャー・ラボ統合型授業の実験例 図３ 設計と生産の工学第一における板カムの設計例 業により，機械設計の基礎となる基幹分野を学ぶとと もに，２年後期から専門性の高い「アドバンスド科目」 を座学で履修する．さらにレポートの書き方やプレゼ ン技法を学ぶ「機械知能システム学セミナー」や小グ ループで教員とミニ研究を「プロジェクト研究」を実 行して，課題 4)を解決している[4]．また，３年後期に創 成科目「機械知能システム創造」を用意して，それま での学習成果を結実させてオリジナリティのある機械 設計を体験するようになっている． ４．講義「設計と生産の工学」 レクチャー・ラボ統合型授業の中でもっとも機械設 計に根ざすものは「設計と生産の工学」である．２年 後期の第一では，1)概念設計から詳細設計，2)機械の基 本構造，3)運動機構の解析と総合，4)機械材料と加工法 基礎，5)工学図形情報，を教授している．最初に 1)で 設計の流れを説明した後，2)で汎用の機械装置を分解さ せ，その機械に要求される機能とそのための機構につ いて考察させ，追加すべき新たな機能とそのための仕 様についてブレインストーミングを行う．ここ数年は VHS ビデオを題材にしているが，最近は家電品の電子 化が進み，新たな題材に苦労しているところである． とくに 3)では，リンク機構と板カム機構（図３に設計 例）を取り上げ，その運動学解析と所望の運動を創成 する機構総合について詳細に説明し，C 言語による計 算機実習の設計を経て，ボール紙やスチロール板によ る機構模型を作成させ，変位の実測実習を行っている． 5)では，工業規格の理解とくに製図規則の修得を主眼に おき，時間的な問題から従前の機械要素設計はかなり 削減せざるを得ない．さらに，１年次の「機械工学系 リテラシー」で 3D-CAD を体験していることから， 2D-CAD での製図実習も取りやめ，3D-CAD での作図 から２次元図面出力して，それに対する公差記入によ って製図規則を学ばせている． 同第二では，1)材料とその性質，2)各種加工法，3) 機械システム設計からなっており，1)，2)では，第１に おいて概論で済ませていた機械材料と機械加工法につ いて詳細に教授する．その際，ＮＣマシニングセンタ を用いた加工実習や材料試験の実習など盛り込んで， 理解を深めるよう工夫している．3)の機械システム設計 が，第一における「製図」から「設計」への大きな一 歩である．高速の組立機械を題材として，その詳細設 計実習を行う，単なる強度を規範とした要素設計を行 うだけではなく，不等速運動機構の総合，メカトロニ クスに基づく駆動系設計も含めた学生個々の独自設計 を体験させる．設計は一貫して 3D-CAD で行う．これ は単なるグラフィクスというだけではなく，CAE や CAM との連動を目指すためである．このとき１年次で 図４ 設計と生産の工学第二における組立機械設計例 図５ 機械知能システム創造作品例 体験している．FEM 解析や RP による加工実習が重要 な意味を持つ．図４は玉軸受組立機の設計例である． ５．創成科目「機械知能システム創造」 ３年前期までに培った設計技術を駆使して，５～６ 名の小グループで各研究室に配属され，教員の緩やか な指導の下，独創的な機械知能システムを設計，試作， 性能検証する講義「機械知能システム創造」に至る． 課題は， 「科学・工学の原理を活用した，まったく新し い機械システム」というもので，単なるアイデア勝負 ではなく，堅牢な設計を行い，実動するシステムを試 作しなければならない．学生はこの授業を体験して， ようやく精度や加工工程の重要性を知りトータルな設 計を修得しつつ，創造性を育成できるものと考えてい る．図５に，その設計・試作品を例示す． ６．おわりに 「ものつくり」を担う機械（設計）技術者を効率的・ 系統的に育てるべく，「レクチャー・ラボ統合型授業」 に基づくカリキュラム改革を実践してきた．この取組 を評価いただき，2006 年度日本機械学会教育賞を受賞 させていただいた．されど，技術の進歩に対応して， 学生・教員いずれにも利のある革新を継続していく所 存である．本取組がいささかでも諸賢の参考になれば 幸いである． 文 献 [1]岩附信行，レクチャー・ラボ統合型授業に基づく機 械工学教育カリキュラム，平成 20 年度工学教育連合講 演会講演予稿集, (2008),pp.11-23. [2]岩附信行，機械系新入生向け創造性育成実習授業「機 械工学系リテラシー」の革新，日本設計工学会平成 21 年度春季大会講演会講演論文集, (2009), pp.91-94. [3]岩附信行，3D-CAD/CAM/CAE を活用した設計教育， 日本設計工学会誌,39－5,(2004),pp.11-16. [4]岩附信行，専門教育力「レクチャー・ラボ統合型授 業に基づく機械工学教育の革新（東京工業大学工学部 機械知能システム学科）」，独立行政法人大学評価・学 位授与機構，大学評価文化の展開：評価の戦略的活用 をめざして（2008）
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