構成型工学カリキュラム

吉川弘之（CRDS・JST）
第４回科学技術人材育成シンポジウム 工学教育の新しい展開に向けて―グローバル化への現状と課題
土木工学･建築学委員会、機械工学委員会、日本工学会（科学技術人材育成コンソーシアム）
平成２５年２月９日（土）日本学術会議講堂

構成型カリキュラムの歴史
１．工学部学科の分類軸：手法要素 対象製品
土木工学、建築学科、都市工学、機械工学、精密工学、電気・電子工学、物理工学、計数工学、マテリアル工学、応用化学、化学工学 原子力工学、など
精密工学は？
1933

精機学会発足（大河内正敏：生産工学の提唱）

1946

精密工学科（大越諄：加工学の体系）

1949

新制・東京大学・精密工学科（加工学、計測学、精密機械学）

1963

精密機械工学科（設計学、加工学、計測学、生産工学）

1999

システム創成学科（４学科合同）

2006

精密工学科（知的機械、バイオメディカル、生産科学）

“Inversion”
N : existing things
Traditional engineering education

A : artefacts to be madeInverted engineering educationLaws

Laws

NNA

Teach theory ofanalysis first,then practise
design.

teaching sequence

Teach theoryof design first,

then practiseanalysis.

teaching sequence

HY, CIRP, Manufacturing Seminar, Budapest(1985)

Traditional Departmental Curriculum
Engineeringknowledge

Manufacturing PracticeDesign Practice
Optimization
TheoryDepartmental
knowledge

Laws( Factual knowledge )Biological Eng.

Chemical Eng.

Metallurgy

Electrical Eng.

( Methods for synthesis )Mechanical Eng.

Mathematics

Mathematics

Systematic factual laws

Biological Eng.

Laws

Chemical Eng.

TheoryMetallurgy

Optimization

Electrical Eng.

Design PracticeEngineeringknowledge

Mechanical Eng.

Manufacturing PracticeGeneral theory of synthesis

An Inverted CurriculumComparison between Curricula Traditional and Inverse

Education in University

Learning on Jobs

Domain-specified
curriculum(traditional)

Deep and specialized
knowledge of a domainplus limited experienceof synthesis

Method of synthesis

General-methodicalcurriculum(inverse)

General method ofsynthesis plus basic
knowledge of multiple
domains

Deep and specialized
knowledge of a domain

Domain-specific knowledge in engineering( Factual laws )Abstract world

Value

Cognitive cone

Function

Elec.eng

Chem.engViews

Engineering theory

Bio.eng
Attribute

EntityDomain-specificknowledge ofMech.eng
Real world

Diversification of views

Domain-independent knowledge in engineering( method of synthesis )Abstract world

Value

Domain-independent
method for synthesis
Function

Elec.eng

Engineering theory

Chem.eng
Views

Mech.eng

Bio.eng

Attribute

EntityReal world

Engineers in sustainable society
Specialists of sustainable science
1. Understanding sustainability
2. Birds-eye view - multidisciplinary

3. High creativity
4. Capability of synthesis
5. Capacity to communicate people of social sciences
6. Understanding effects of technology to society
7. High ethics with professional enduranceA curriculum
named“Flames”(Factual Lawsand Methods ofSynthesis)

at the Precision Engineering
Department, University of Tokyoin 1975 -1994

抽象化のための視点の特殊化（領域知識）
世界を理解するためのニュートンのプログラム（自然を見る視点を限定し、公理を定めてその視点に含まれるすべてのものを説明する“学”を樹立する。そして視点を増やしてゆく。）

実現を目的とする工学は、ニュートン力学の形式的模倣によって成立した（人工物実現に必要な視点を限定し、ニュートン力学と同等な整合性を持つ工学領域を必要なだけ作る。）
機械工学

力学
現実世界
現実世界

工学

電気工学
材料工学
土木工学

化学
建築工学

全体説明性

全人工環境

ニュートンは個別の視点で法則を発見しながら、その積み重ねで世界を説明することを目的としたが、工学は個別人工物を作ることを目的とするだけで、自ら生み出した全人工環境に関心を持つことをしなかった。

人工物による環境の劣化

機械工学

自動車

電気工学

電話

建築工学

家

土木工学

ダム

これらは個々には矛盾のない有益なものであるが、出会いによっては相互に調和せず問題を引き起こす。

独立な領域知識に依拠して、相互に関係のない人工物を多数産出して環境を劣化させた。

領域の細分化による不調和・矛盾の解決
問題

解決のために必要な研究・方策

領域細分化

領域型知識生成過程の解明

領域知識の複雑・特殊化

領域知識の共通性発見研究

領域間関係知識の欠落

領域知識間関係研究

要素領域とシステム領域が無関係構成の非合理性要素とシステムの関係性研究

構成研究

専門家の役割不明

専門家の役割明確化・協力のための仕組み

持続性科学の否定

科学の発展が途上であることの認識科学領域の生成過程
全世界（すべてのもの）

コレクション
特定の関心(視点)に導かれて収集

学問領域選択されたものに共通な変数の抽出（関心を満たすもの）

変数間に成立する法則の発見（推論と実験による仮説）理論の構成理論から導き出される予測の検証による法則の改良

学問領域の成立は、コレクション（分離された知識からの）を契機とする。収集によって得られた“元”の集まりとしてのコレクションを観察することにより、すべての元に共通な基本的変数*が選出され、それらの間に成立する法則が仮説として提出される。仮説は理論体系を生みだすが、理論の示す諸結果（起こりうる事象についての予測）とコレクションの事実との整合性の検査により、仮説の正当性が検証される。
新しい領域を生みだすコレクションを駆動する「特定の関心(視点）」とは、既存の科学領域で説明できるものではない。説明できたとすれば、そのコレクションは何ら新しい領域を生みださず、単に（その）領域に属するものの集合にすぎない。説明できない時、その関心がパラメータに分解され、それが新しい領域を作る可能性を持つのである。この段階では、私たちはこの特定の関心を「直観」と呼ぶしかない。したがって収集は直観的に行われるとする。（*元の属性とそれがおかれる場を表す変数） 14

科学領域の構成“基本領域”
現実的意味(効用)を超え、事実知識を領域として体系化する自然科学の誕生

ニュートン力学の場合：事実知識の体系
全世界すべてのもの

コレクション
天体とリンゴ（すべての物体）

質量、力、運動量、運動軌跡

質点

１．等速直線運動
２．Ｆ＝ｍα３．作用反作用運動の力学（万有引力）
パラメータ

法則

理論

光

天体とリンゴは日常的には関係がない
15

材料力学
（工学）

力学的負荷に耐える構造要素

力、変形、形状、応力、歪フックの法則材料力学理論

コレクション

変数

法則

理論
構造設計に有用

全世界

工学も、科学の領域と同じようにコレクションによって領域の基本的な形を持つものがある。これは工学が対象とする人工物について、その機能の基礎（機能発現のもととなる要素）を、科学の場合とおなじ考え方で、整合的領域を作れるようにコレクションとして選んだ結果得られるものである。（要素工学）
16

建築学
（美学）

全世界

家
（人が住む装置）

コレクション（機能的実体）

設計図、壁、窓、扉--------

変数（要素）

家の歴史的様式

建築学

法則（様式を代表する建築物）

理論（建築設計に有効）

建築という現実の人工物でも、視点をこのように限定（美学）することで領域の基本型を持つ。しかし、建築物を実際に作ろうとすれば、構造強度、耐震性、寿命などの複数の視点*を持つことが必要で、変数間関係の整合性が失われてゆく。これは工業製品に対応する多くの工学分野（自動車工学、船舶工学、原子力工学、工作機械工学など）に共通の性質である。その結果建築の場合は、すべての変数を含むことが要請される法則に相当する基本関係を“様式”という分解不可能な総合的記述のよって言うしかない。法則は、このカテゴリーでは様々な形式がある。
*要素工学が対応する。

17

人工物の科学領域 “臨時領域”
臨時領域＝存在しない人工物を創り出すための領域
すべての人工物

自動車の場合：構成を目的とした事実知識

機能

荷重量
速度
走行距離
燃料
操舵性
居住性
-------

コレクション

変数“人を乗せて走るもの”

上記以外の人工物

１

変数間の関係*（多数であり、秩序がない）

２

法則

試作品
（maquette)

自動車工学

理論（臨時領域）

二つの経路：
１．変数間の関係を変数の物理特性に基づいて明らかにする。
２．試作品を作りそれらを満たす関係を抽出する。

*自然（存在するもの）対象を理解するコレクションでは、基本変数が少数で、変数間の関係に秩序のあるもの（基本法則）として表現することができるのが“良い”コレクションである（科学の背後には、「世界は少数の基本法則によって成り立つ」という思想がある）。実際そのようにして、体系的な領域ができたのであった（言い換えれば、世界を科学的に理解するために、よい体系を生むことを目標としてコレクションを収集したと言えるであろう）。しかし人工物の領域を作る原理は人18にとって有益な“機能”であって、秩序のある体系という原則は守れない。

学問領域の多様性【絶えず増殖し、体系的でない】
対象（例）（物質）原子、分子、結晶、岩石、熱、流体（生体）植物、動物、細胞、器官、人体、生理（情報）物理情報、生体情報、データ（精神）知能、論理、言語、原始サービス（社会）社会、民族、集落、家族、婚姻、法、物理学、化学、力学、熱力学、天文学、地球科学
植・動物学、医学、解剖学、生理学、分子生物学
領域（基本領域） 数学、情報学、情報科学、言語学、記号学
哲学、心理学、論理学、文学、美学、歴史学
社会学、文化人類学、法哲学、民俗学（物質）機械、材料、素子、構造
成熟（生体）健康・病気、農作物、料理、家畜、毒した（情報）情報、文字、書籍、
人工物 （精神）教育、文学・芸術、サービス（社会）国家、経済、金融、通商、法律

機械工学、材料学、電気工学、構造力学、建築学
内科学、外科学、解剖学、薬学、病理学、農学
情報工学、図書館学
教育学、演劇学、批評学、サービス工学
経済学、商学、法律学、国際関係論

自然人工
物

領域（例）

（物質）工業製品（自動車、空調機、通信機）（生体）遺伝子改変生物、定着
した（情報）通信網、メデイア、
人工物 （精神）今様演劇・文学・芸術、（社会）企業、電子政府、環境、
既存の領域に属さない

人工物

（物質）
（生体）
（精神）
（社会）

既存の臨時領域では扱えない設計対象

成熟*
領域
臨時領域

定着*
領域

不完全*
領域

自動車工学、熱機関学、生産学、輸送学
再生医学、核医学、生体リスク
通信工学、メデイア学、前衛美学、経営学、金融工学、環境学、防災学、安全学（例）環境を考慮した製品、システム、制度などを設計するときに必要な知識集合*丁寧に言えばそれぞれ、“成熟した臨時領域”、“定着した臨時領域”、“不完全な臨時領域”である 19

歴史的な工学の構造
二つのカテゴリーに分かれた
要素工学
機械工学

電気工学

機械力学
電磁気学
流体力学
回路理論
材料力学
素子理論
機械熱力学
―――
―――

（製品）対象別工学
材料工学

結晶学
材料熱力学
―――

――

自動車
工学

原子力工学

燃焼学
熱力学
機械工学
電気工学

核物理学
熱力学
材料工学
機械工学
電気工学
地震工学
放射線科学

―――

――

対象に関する知識

―――
機械装置

電気装置

材料

自動車

原発

構想

構想

構想

現実化

現実化

現実化

構想
現実化
使用

構想
現実化
使用

作り使用する知識（多くは“工学”の外にある）
20

領域間の複雑な関係
基本領域

物理学

成熟臨時領域（要素工学）

機械工学

定着臨時領域（対象別領域）

不完全領域

化学

電気工学

数学

論理学

材料工学

自動車工学
自動車

未知

情報学

計算機学

分子生物学

医学

内科学

外科学

遺伝子医学

計算機工学

再生医学

計算機

再生医療

人工物 X

新しい人工物が考案され社会に受け入れられると、それは人工物の一つのカテゴリーを形成して、それに属するものの制作に必要な知識体系が定まり臨時領域を成立させ、制作を容易にする。しかしその領域は、その人工物の他との調和、あるいは地球持続性に対する評価のための知識などを歴史的に含んでいなかった。調和や持続性は、その人工物の機能（設計）、製造、使用、保守、廃棄など、ライフサイクルのあらゆるフェーズにおける検討を必要とし、それは従来の臨時領域には含むことができない。含めることは、制作容易性を持つべき本来の臨時領域の特性を捨てること、言い換えれば領域を解体することにほかならず、ここには困難な本質的矛盾が存在する。

要求機能の増加による知識整合性の低下
世界（存在物の集合）
主機能
（機能学）

地球環境
適合性

他領域
人工物との調和性（関係領域すべて）

A
B

動剛性
（振動論）
強度
（材料力学）

剛性

操作性（制御理論）

要素工学*

動力変換能力（機構学）

信頼性（信頼性理論）人工物を設計するとき、要求された多くの性質を同時に満たさなければならない。それぞれの要求を満たす人工物を集合で示せば、要求された全性質を同時に満たす解は、積集合となる。
目的とする機能（主機能）を、例えば“機械的”に実現しようとする
ときは、主機能と機械に関係する要素工学を満たすものとの積集合Aに含まれることが要求される。
しかし、信頼性や操作性、さらAに社会での調和、持続性を考慮するなら、範囲は狭まってBの範囲に入る機械のみが解として認めB られることになる。

*機械で実現することを決定した場合の要素工学

範囲Aにおける人工物のうち、要素工学で選出される集合の要素（人工物）は法則科学に従っている。
それらの間には設計手順が定められており、また定量的で最適設計ができる。しかし、範囲Bでは、多くの抽象的性質が付加された結果、集合要素の分離が詳細になって含まれる人工物は記述科学として22しか扱えず、設計手順は明確でなくなり、また定量的最適化もできなくなる。

技術知識の構造
伝統的工学カリキュラム
工学研究科・学部/専攻・学科
対象別工学

要素工学
秩
序
化
知
識

社会技術
操 使用・保守作
計測
知製造
識
設計（要素工学）
機能・サービス

製品
実証

実験
理論
数学
法則
機 電 材 化 生 情
械 気 料 学 命 報
工 工 学 工 工 工学 学学 学 学

建 土 造 航 原 地
築 木 船 空 子 球
工 工 工 工 力 工学 学 学 学 工 学
学

事実知識（要素工学）

事実知識（製品対象知識）

秩序化知識は領域の構文化（syntax）であり、操作知識は領域の意味化（semantics）である。

技術知識の構造変化
構文（伝統的工学カリキュラム）から意味（構成型工学カリキュラム）へ
工学研究科・学部/専攻・学科
対象別工学

要素工学
秩
序化
知
識

社会技術
操 使用・保守作
計測
知製造
識
設計（要素工学）
機能・サービス

製品
実証

実験
理論
数学
法則
機 電 材 化 生 情
械 気 料 学 命 報
工 工 学 工 工 工学 学学 学 学

建 土 造 航 原 地
築 木 船 空 子 球
工 工 工 工 力 工学 学 学 学 工 学
学

事実知識（要素工学）

事実知識（製品対象知識）

秩序化知識は領域の構文化（syntax）であり、操作知識は領域の意味化（semantics）である。

操作知識を分類軸とするカリキュラム
構成型工学カリキュラム

操
作
知
識

社会技術
使用・保守
計測
製造

市場戦略
操
作
知識

経営

組織管理
組織構成

設計（要素工学）

ビジネスモデル作成

機能・サービス

機能・サービス

事実知識（対象知識）

事実知識（対象知識）

構成対象：工業製品

構成対象：企業

操作知識を、対象独立な抽象的なものとして記述することが必要である

１． 機能１．１ 機能学（物理機能、生命機能、精神機能）
１．２ 機能の要素表現
１．３ 機能と属性
１．４ 要素とシステム
１．５ 価値の機能学
１．６ 持続性科学への工学の役割（機能的方法）１．６ 社会的期待

４． 製造
７． 社会技術・起業
４．１ 製造学（一般）
７．１ 使用学（一般）
４．２ 領域製造技術（情報、物理（加 ７．２ STIイノベーションエコシステム工）など）
７．３ 起業・社会実装・普及・受容
４．３ 領域製造システム（装置、機械、 ７．４ 法・規則・組織、ファンデイング
量産など）
７．５ 副作用（予期せぬ機能：物
４．４ 複合領域製造技術
理・社会・精神）４．５ 統合製造システム（ハード、ソ
７．６ イノベーションの社会的効果
フト）（ベネフィット・リスク）
４．６ 標準化戦略
７．７ ライフサイクル産業

２． サービス
２．１ サービス学（一般）２．２ 原始サービス学
２．３ サービス増幅論（計量、装置）
２．４ 領域サービス論（国家・公共・企業・私的）
２．５ 情報サービス論
２．６ サービス経済学
２．７ 知財・データベース

５． 性能（キャラクタリゼーション・評価）
５．１ 計測学（一般）５．２ 全体観察５．３ 領域計測学（物質、形状、波動、時間など）
５．４ 機能評価・リスク評価
５．５ 安全性、信頼性・寿命・耐環境
５．６ 環境負荷性・循環性・廃棄法
５．７ 計測機器、計測経済、計測コ
スト

３． 設計・構成
３．１ 設計学（一般）３．２ 構成戦略論
３．３ システム科学（構成・最適化・探索など）
３．４ 計算科学
３．５ 領域設計論（機械、電気、建築、など）
３．６ 分野融合論

６． 保全
６．１ 保全/製品ライフサイクル学（一般）
６．２ 保全技術
６．３ 保全システム（装置、機械、保全環境など）
６．４ 領域保全学（要素、機械、インフラなど）
６．５ 地球環境保全

８． 領域工学概論（分析型工学カリキュラム）
８．１ 機械工学（機構、流体、熱など）
８．２ 電気工学（回路、空間など）
８．３ 材料工学（金属、非金属、ナノ構造など）
８．４ 情報工学８．５ 生物工学
８．６ ソフトウェア工学

構成型工学カリキュラム
version 7 Jan 2013

構成学（一般）の試み（１）一般設計学 【F:機能、P:属性、S:実体】
F0⊇F (P0), P0→S0, S0=Structure (e, r, i ): Structure(element design + relations + information)（２）一般製造学
S0→S, S→Manufacture (e, r, i ): Manufacture (element production + assembly + test run)（３）一般サービス学 【F：顕在機能、L：潜在機能】
L 0 = L(t) + F(t)F(t) = - k・d(Lt)/dt（４）一般保全学【F(T):機能の時間的変化、A:システム、m(u):保全効果】

機能発現実体を作り出す（機能を記述し、それを発現する物理・情報システムを決定する）
設計によって得られた部品形状・性質を物質上に実現し、それらを組み立て、機能発現を確認する
潜在機能が決められていて、その発現の時間的速度がサービス。
この時、潜在機能を機能の基準値とする。

保全では、基準値は使用前に保有している機能が基準値である

F(t)≧F0F(t) = ∫A∫t−∞e(m(u), t-u)dudAmin[∫A∫ｔ−∞m(u)dudA], max[∫A∫ｔ－∞f(u)dudA]サービス、保全では、機能は比率（無次元）で表せるが、設計ではできない。設計では機能の基本量が与えられていない。したがって設計だけは定量化することができない（設計とは機能の基本量（軸）を立てることである。この軸の独立のものを探すのが機能学である。
引用文献 （１）一般設計学序説、精密機械、45巻8号、p.906－912(1979)（２）一般製造学：多くの提案がある（３）サービス工学序説、Synthesiology, Vol1No.2,p.111-122(2008)（４）保全の基礎概念、保全ハンドブック、第一章（1980）

製造学の構成
要素

結合子

加工・測定
（切削、塑性加工、リソグラフィ、ナノ科学技術、測定など）

人工現象（物理的合成）

プロセスのシステム

機械（工作機械、精密測定器、数値制御など）

物理現象

物理的結合

機械のシステム

群管理、工場

機械・人

物理的結合、情報的結合

工場のシステム

製造企業

工場

情報的結合

企業

情報的結合

対象
物理プロセス

企業のシステム

例

産業構造、（産業社会、サプライチェーンなど）――学**ーー学とは、要素の結合に関する理論である。

28