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| 開講年度 | 2020 年度 | |
|---|---|---|
| 開講区分 | 工学研究科(博士前期課程)機械工学専攻 | |
| 領域 | 主領域 : D; 副領域 : F | |
| 受講対象学生 |
大学院(修士課程・博士前期課程・専門職学位課程) : 1年次, 2年次 |
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| 選択・必修 | ||
| 授業科目名 | 生体材料工学特論 | |
| せいたいざいりょうこうがくとくろん | ||
| Biomaterials Science | ||
| 単位数 | 2 単位 | |
| ナンバリングコード | EN-SYST-5
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| 開放科目 | 非開放科目 | |
| 開講学期 |
前期 |
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| 開講時間 |
木曜日 5, 6時限 |
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| 開講場所 | ||
| 担当教員 | 吉川高正（工学研究科機械工学専攻） | |
| YOSHIKAWA, Takamasa | ||
| 実務経験のある教員 | 吉川 高正：硝子メーカーに勤務し，製造・加工装置の設計および生産技術開発を担当．開発および設計の業務で習得・実施した効率的メソッドの方法，数理等を科目内容に即して説明する． | |
| SDGsの目標 |
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| 授業の概要 | 生体材料および医用機器などを例にとり，合理的な研究開発・設計のための評価方法の構築と，評価方法の適正評価（品質工学）について学ぶ． Course description This course deals with the method and concept of “quality engineering” (“Taguchi method”) to constitute the criterion of evaluation for rational R&D, with examples of various bio-materials, or engineering design. |
|---|---|
| 学修の目的 | 生体材料とは広義に生体もしくは生体を構成する要素と接触して用いられる材料である．生物由来の素材から工業的に用いられる金属，セラミクス，高分子など人工的な素材が生体材料として応用が期待され，多様な材料開発が飛躍的に展開されている． 生体材料の材料設計および生体材料を利用した機器やインプラントの研究開発・設計では，目的とする機能性の実現のみならず，生体適合性や力学的適合性，生体内耐久性といった安全性や安定性に関する過酷な制約が要請される．さらに，要求される機能や制約ばかりでなく，設計因子は通常多岐にわたり，個々の評価指標の判断だけでは目的とする材料や機器・器具の実現に結びつけることが困難であることが多い．また，規格化・標準化されてきた工業用材料や機械と異なり，ソフトマテリアルや多孔質材料は性能や品質の評価自体が確立されておらず，さらに，生体と接触する生体材料は，生体との相互作用や生体自体の個体差の影響によって評価にばらつきが現れやすい．このような課題は，必ずしも生体材料に限らず，省資源化や高効率化，低コストといった制約の上で非常に高機能な機械や材料の実現が要求される現代工業においても同様に日常的に直面する課題である．すなわち，多岐にわたる性能指標や品質変量，設計因子，誤差要因に対して，合理的に研究開発・設計を進捗させる指針が必要となる． 品質工学は，進捗させるべき目的を単一の評価指標（機能）で表現し，多岐にわたる性能や品質の判断が構築された機能で代表しうるか否かを較正する「評価指標を評価する方法」を提示する．構築された機能が，個別の性能や品質を齟齬なく表現できたとき，設計因子（制御因子）と誤差要因（誤差因子）による効果を適切に調査できるとするものである．また，多種にわたる設計因子と誤差要因に関する効率的で合目的的な調査手法を提示することで，目的達成を合理的に進捗させる指針を提示するものである． 本講義によって，諸々の産業において実務上有益な品質工学の概念と手法の基礎が理解できる．修士課程の研究や機械技術者としての開発・設計業務における技術要素の特性を見出す方法が得られる． Learning objectives The development of various bio-materials which contact living tissue has progressing. The requirement on the R&D of biomaterials or medical devices using them is not only realization of their efficiency (function) but also many constraints, for instance, the safety and stability under environment inside or outside the living organism. Therefore, it is necessary to constitutive the unified criterion of evaluation from various functions and constraints. a probability of the unified criterion of evaluation will be required. The quality engineering (QE) proposes the method to estimate the probability of the criterion to progress various R&D. Moreover, it suggests how to improve the efficiency of assessment process in achieving purposes with many design factors. Students can obtain the fundamental concepts and method of QE, and will be able to utilize it to various researches, investigations, and designs in the future. |
| 学修の到達目標 | 生体材料もしくは生体材料を利用した機器の研究開発・設計における指針が説明できる． 技術開発・設計における「目的」を具体的に理解できるようになる．「目的」を数量化し，研究開発・設計などの行為の成果を定量化できる意義がわかるようになる．評価指標の適正を評価する方法が理解できるようになる．実験方法を合目的的に計画する意義（実験計画法）が理解できるようになる． データにおける誤差および許容差について説明できるようになる．また，誤差因子実験が理解でき，評価のばらつきに関する対処方法について検討することができる． Achievement The targets of this course are to (1) explain guideline of R&D for biomaterials or devices using them, (2) grasp suitable “purpose” for various R&D, (3) construct reasonably the efficient R&D plan, and (4) obtain the view to create the criterion of evaluation. In addition, (5) the understanding of the examination for noise factor is also one of goals. |
| ディプロマ・ポリシー |
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| 成績評価方法と基準 | 出席，演習課題 |
| 授業の方法 | 講義 |
| 授業の特徴 | |
| 授業改善の工夫 | 都度，受講者の携わる研究をもとに，具体性と実感を得られるように努める．講義の進捗に従って，各論で学んだ解析やメソッドが，研究などで応用できるように努める． |
| 教科書 | |
| 参考書 | バイオメカニクス概説（日本機械学会編，オーム社1993） 品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発（久米正明，日本規格協会，1999） 品質工学講座1 開発・設計段階の品質工学（吉澤正孝，日本規格協会，1988） 品質工学講座4 品質設計のための実験計画法（横山巽子，日本規格協会，1988） 多変量解析法入門（永田靖，棟近雅彦，サイエンス社，2001） 等． |
| オフィスアワー | 毎週木曜日16:20～17:10． |
| 受講要件 | |
| 予め履修が望ましい科目 | |
| 発展科目 | 生体材料工学演習，固体力学特論，固体力学演習，バイオメカニクス特論 |
| その他 |
| 各回 共通 |
MoodleのコースURL |
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| 第1回 | 概要 | 生体材料の研究・開発の手法と考え方 Method and view for R&D of biomaterials |
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| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：生体材料の開発を例にとり，研究・開発や機械設計を含めたものごとの進め方について述べる． The outline of promotion of R&D of biomaterial or mechanical design will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 生体材料(bio-material),研究開発(R&D,research and development),設計(design),技術(technology),解法(solution) | |
| 事前学修の内容 | 生体に関する工学における生体材料工学，生体力学，生体工学の関連性について概観しておく．三輪敬之編「生体工学シリーズI 生体機械工学」（裳華房），片岡和則編「生命工学シリーズIII 生体材料工学」（裳華房），岡野光夫「バイオマテリアル」（東京化学同人）の各序章が参考になる． 各種辞典等を複数用いて「目的」，「目標」の違いについて考察しておく． Contents of pre-studies: Take the overview of relationship between biomaterial engineering, biomechanics, and bioengineering. Consider the difference between purpose and target. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 再度，「目的」，「目標」の違いについて考察しておく． Contents for post studies: Review the contents of handouts, and consider the difference between purpose and target again. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第2回 | 概要 | 研究・開発・設計における「目的」 Purpose |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：第１回講義で述べたものごとの進め方に対する一つの方法論として以降の講義で品質工学について紹介していく． 品質工学で行う「目的」の定量化に先立ち，「目的」の意味を定義する． また定量化された目的の進捗を測るという観点から「計測」について考える． The definition for "purpose" will be shown in this sessyon. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 目的(purpose),顧客(client),性能(performance,efficient),目標(target),計測(measurement),品質工学(quality engineering) | |
| 事前学修の内容 | 「目的」，「目標」の違いについて考察しておく． 計測（測定）について，考察しておく．N.C.バーフォード「実験精度と誤差」（丸善）が参考になる． Contents of pre-studies: Consider the difference between purpose and target. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 研究室などで携わっている研究課題について，講義で述べた目的を検討してみる． Contents for post studies: Review the contents of handouts, and consider the difference between purpose and target again. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第3回 | 概要 | 目的の定式化（１） Function (1) – Characteristic value |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：技術課題の解決が，顧客の願望にもとづくものであり，原理の解明とは異なることを述べる． 明示されない顧客の願望を定量化する「特性値」について述べる． The characteristic value of QE which is quantified from purpose will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 顧客(client),性能(performance,efficient),目標(target),計測（measurement),特性値(characteristic value,specific value) | |
| 事前学修の内容 | 第２回の内容をレジメを参照にして復習しておく． Contents of pre-studies: Review the contents of the 2nd session. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． Contents for post studies: Review the characteristic value with using handouts. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第4回 | 概要 | 目的の定式化（２） Function(2) – Signal and formulation for purpose |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：顧客が「特性値」の増大を意図して投入する投資としての「信号」について述べ，顧客の願望を技術的定量値としてあらわした特性値と信号の関係，「機能」について述べる． The signal as an input to obtain the characteristic value, and the function as their relationship will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 機能(function),特性値(characteristic value, specific value),信号(signal) | |
| 事前学修の内容 | 第２回，第３回の内容をレジメを参照にして復習しておく． Contents of pre-studies: Review previous contents. It’s advisable to read and understand the “function” in the reference-book, “Quality Engineering Series 1” (G. Tagchi, and M. Yokoyama). 参考書指定した吉澤著，「品質工学講座１ 開発・設計段階の品質工学」（日本規格協会）の機能に関する項目を確認しておくとよい． |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 久米著，「品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発」（日本規格協会）の事例について，機能に関する項目を熟読し，特性値と信号，顧客の願望とのかかわりを考察する． Contents for post studies: Consider about the function with the reference-books and handouts. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第5回 | 概要 | SN比基礎（１） Fundamental of signal-noise ratio(1) |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：品質工学におけるSignal-Noise比について述べる． 信号に対する特性値の出力傾向において，評価すべき因子を明確化し，目的に対する進捗を判定するための定量値を検討する． The fundamental concept of the signal-noise ratio as an unified criterion will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | SN比(SN ratio,signal-Noise ratio),性能(performance),ばらつき(dispersion),評価(estimation) | |
| 事前学修の内容 | 最小二乗近似法について復習しておく．機械工学科学部においての機械工学実験及び実習IまたはIIのテキストが参考になる．より理解を深める場合は，田島，小牧著「最小二乗法の理論とその応用」（東洋書店）が参考になる． Contents of pre-studies: Review and study about the least square method. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． Contents for post studies: Review the contents of handouts, |
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| 自由記述欄 | ||
| 第6回 | 概要 | SN比基礎（２） Fundamental of signal-noise ratio(2) |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：品質工学におけるSignal-Noise比について，算出の数理を述べる． 分散分析の手順を述べる． The fundamental method to calculate the signal-noise ratio and ANOVA will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | SN比(SN ratio,signal-Noise ratio),分散分析(analysis of variance),分散(variance),最小二乗法(least squares method),機能(fanction),機能性(functionality) | |
| 事前学修の内容 | 最小二乗近似法について復習しておく．機械工学科学部においての機械工学実験及び実習IまたはIIのテキストが参考になる．より理解を深める場合は，田島，小牧著「最小二乗法の理論とその応用」（東洋書店）が参考になる． Contents of pre-studies: Review and study about the least square method. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 最小二乗法をよく復習するとともに，講義の内容に照らして，誤差因子の無い場合の基本的なSN比の算出方法を自分自身で実行できるように復習しておく． 小西著「品質工学講座３ 品質評価のためのSN比」（日本規格協会）が参考になる． Contents for post studies: Review and exercise the calculation of the SN ratio and ANOVA. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第7回 | 概要 | 誤差因子 Noise factor |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：ばらつきの原因となる外乱について述べる．顧客の望まない出力特性としてのばらつきを低下させる品質向上のための開発方法について述べる． Noise and noise factor will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 機能(function),性能(performance),ばらつき(dispersion),誤差(error),外乱･ノイズ(noise),品質(quality) | |
| 事前学修の内容 | 計測／測定結果におけるばらつきについて熟考しておく．研究室所属受講者については，担当している研究テーマにおけるばらつきや誤差についてよく考えておく．N.C.バーフォード「実験精度と誤差」（丸善）が参考になる． Contents of pre-studies: Consider the dispersion on measurement and error. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 誤差因子について，講義に照らして復習しておく．田口著「実験計画法 上」（丸善）が非常に参考になる． Contents for post studies: Review the contents of handouts, |
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| 自由記述欄 | ||
| 第8回 | 概要 | 誤差因子を用いた実験 Experiment with nose factors |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：性能のばらつきを低減させるために調査すべき方法について述べる．N増し実験の意味と，性能のばらつきを低減させることを目的とした誤差因子実験の差を述べる． The concepts and experimental method to reduce the dispersion of performance or error will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 誤差因子(noise factor),機能(function),ばらつき(dispersion),誤差(error),外乱･ノイズ(noise),品質(quality),N増し(Larger sample sizes) | |
| 事前学修の内容 | 第７回講義についてレジメを参考にしながらよく復習しておく． データのばらつきについて，学部における基礎教育科目「工業数学V」の確率・統計論を復習しておく．ただし，ばらつきを低減させることとばらつきを測ることが異なる意味を持つことが説明されることを想定しておく必要がある． Contents of pre-studies: Consider and learn the dispersion and error based on the statistics and probability theory in engineering mathematics. Understand the difference between the reduction and measurement for dispersions. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 研究室所属受講者については，担当している研究テーマにおいて，最大のばらつきを生じうる誤差因子について想定する． 久米著，「品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発」（日本規格協会）の事例について，誤差因子の設定を熟考してみる． Contents of post-studies: Review the contents of handouts, and consider the reduction of error. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第9回 | 概要 | 誤差因子条件下でのSN比 SN ration with noise factors |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：第５回，第６回講義において説明されたSN比の計算方法について，誤差因子の分散分析の考え方とSN比の算出方法を述べる． The method to calculate the ANOVA and SN ratio for the experiment with noise factors will be shown. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 分散分析(analysis of variance),分散(variance),最小二乗法(least squares method),誤差因子(noise factor),機能(function) | |
| 事前学修の内容 | 第５回，第６回，第８回講義について十分に復習しておく． Contents of pre-studies: Review and learn the contents of 5th, 6th and 8th, sufficiently. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 講義において展開された計算を，各自に想定した誤差因子，各水準数に対して展開することで，誤差因子条件の自由な設定ができるようにしてみる．久米著，「品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発」（日本規格協会）または田口著「実験計画法 上」（丸善）の事例から因子数と水準数の例題を設定するとよい． Contents of post-studies: Exercise the calculation of ANOVA and SN ratio for various noise factor experiments in references. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第10回 | 概要 | 品質工学の定義と役割 Assessment for criterion of evaluation |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：品質工学の広義の定義にもとづいて，第２回講義から第９回講義の内容を包括的に概観する．目的達成のためのアプローチの効果を判断するために考案された定量的評価方法自体の妥当性の評価について述べる． The definition of QE will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 評価の評価(assessment for estimation),較正(calibration),品質工学(quality engineering) | |
| 事前学修の内容 | 機械工学科学部においての機械工学実験及び実習IまたはIIのテキストにおける較正に関する項目を復習しておく．計測工学等で扱う較正作業の基本的概念を理解しておくとよい． 第２回～第９回講義の内容を十分に復習しておく． Contents of pre-studies: Study the fundamental concept and method of calibration, and review previous contents. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． Contents of post-studies: Review the contents with using handouts. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第11回 | 概要 | 制御因子 Control factor |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：目的達成のために担当者が実施するアイデアについて述べる．アイデアの創出技法ではなく，アイデアに要請される条件について述べる． The concept of control factor will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 制御因子(control factor),アイデア(idea),信号(signal),顧客(client),誤差因子(error factor),外乱(noise),交互作用(interaction) | |
| 事前学修の内容 | 久米著，「品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発」（日本規格協会）または田口著「実験計画法 上」（丸善）の事例において制御因子について概観し，信号や誤差因子に対して主体者が異なることを把握しておくとよい． Contents of pre-studies: Review previous contents and understand various factors, “characteristic value”, and “signal”, “noise factor”. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 研究室などで担当している研究テーマに対して，信号や誤差因子と混同しないように気を付けながら，制御因子をなるべく多く考案してみる． Contents of post-studies: Review the contents with using handouts, and consider many examples of control factor. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第12回 | 概要 | 直交表 Orthogonal array |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：アイデアの効果を調査する実験計画の条件設定方法について述べる．多元配置条件設定の数理的意味と，直交表の相関を述べる． The orthogonal array and the method of experimental design will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 直交表(orthogonal array),多元配置(multi-way array),実験計画法(experimental design method),直交性(orthogonality) | |
| 事前学修の内容 | 2種類以上，かつ各種類２水準以上の制御因子（アイデア）の効果について調査するときに，どのような規模の実験条件が設定されるかを考えておく．各２水準１１種類の制御因子や３水準８制御因子の規模を想定してみるとよい． Contents of pre-studies: Construct the ordinal multiway array under 2 control factors with 2 levels. Imagine the explosion of experimental size with increasing number of control factors and levels. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 研究室などで担当している研究テーマに対して，第１１回講義後の事後学習で想定した制御因子について，直交表を用いて規模を想定してみる． Contents of post-studies: Review the contents with using handouts, and constructs the method of experimental design with orthogonal array. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第13回 | 概要 | 要因効果の評価方法と要因効果図 Graph of factorial effects |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：直交表および多元配置条件表における，アイデアの効果の定量的抽出方法について述べる． The method to extract main effect from many control factors on the orthogonal array will be shown in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 要因効果図(graph of factorial effects,response graph),主効果(main effect) | |
| 事前学修の内容 | 第１２回の内容について十分に理解しておく．特に制御因子列間の直交関係についてよく復習しておく． Contents of pre-studies: Review the contents of 12th session, sufficiently. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 久米著，「品質工学応用講座 化学・薬学・生物学の技術開発」（日本規格協会）または田口著「実験計画法 上」（丸善）の事例を用いて，実際に自分で要因効果図を作成してみるとよい． Contents of post-studies: Review the contents, and make the graph of factorial effects with using references. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第14回 | 概要 | 再現性（１） Confirmation run and reproducibility (1) |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：品質工学の広義の定義において重要視される機能の再現性について述べる．再現性に関する確認の方法を述べる． The method of confirmation run and estimation of reproducibility will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 再現性(reproducibility),確認実験(confirmation run),最適条件(optimum condition) | |
| 事前学修の内容 | 第２回～第４回および第１１回の講義内容をレジメにもとづいて十分に復習しておく．また再現性の評価方法においては，第９回を理解しておくことが望ましい． Contents of pre-studies: Review previous contents, sufficiently. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 第１３回の事後学修において実施した，参考書の要因効果図から，確認実験条件を設定してみるとよい． Contents of post-studies: Review the contents with handouts. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第15回 | 概要 | 再現性（２） |
| 授業時間内の学修内容 | 講義内容：品質工学の広義の定義において重要視される機能の再現性について述べる．再現性で評価された結果の意味について考える． The concept of the reproducibility and meaning of value will be introduced in this session. |
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| キーワード(Key Word(s)) | 再現性(reproducibility ),確認実験(confirmation run),許容差(tolerance),顧客(client),機能の評価(assessment for function),較正(calibration) | |
| 事前学修の内容 | 第１４回の内容を復習しておく． Contents of pre-studies: Review the contents of 14th session. |
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| 事後学修の内容 | 配布されたレジメの空欄を埋めておく． 講義された内容をもとに，研究テーマなどをもとに実験計画を行ってみる． 本講義で説明されなかったチューニング等の方法については，参考書類を参考にするとよい． Contents of post-studies: Review the contents with handouts. |
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| 自由記述欄 |