Ontologie-Modell

Verständnis der Wissensstruktur

Lehrplanwissen repräsentiern. -> was ist überhaupt ein lehrplan im ontolgischen Sinne? → information darüber wie ein prozess ablaufen soll. Lehrprozess und lernprozess. Kompetenz vs. Kompetenzspezifikation

Aufbau und Struktur der Lehrplan Ontologie

Die Lehrplan-Ontologie ist eine formale OWL-Ontologie, die die Konzepte und Beziehungen des deutschen Schulsystems im Bereich Lehrplangestaltung maschinenlesbar beschreibt.

Sie lässt sich in fünf thematische Schichten gliedern:

1. Bildungskontext: Schule, Fach und Bundesland

Die oberste Schicht modelliert den institutionellen Rahmen. Schulfach (LP_0000001) ist die Wurzelklasse für alle Unterrichtsfächer und wird in Subklassen wie MINT-Fach, Naturwissenschaftsfach, Fremdsprachenfach und Gesellschaftswissenschaftsfach untergliedert. Ergänzend gibt es den Schulfachbezug (LP_0000540) für Angaben zur Stellung eines Faches (Pflichtfach, Wahlpflichtfach, erste/zweite/dritte Fremdsprache). Schulart (LP_0000111) beschreibt den Schultyp (z.B. Gymnasium, Gesamtschule), während Bildungsgang (LP_0000816) mit Subklassen wie Gymnasialer Bildungsgang, Hauptschulbildungsgang und Realschulbildungsgang den pädagogischen Weg einer Schülerin oder eines Schülers abbildet. Die 16 Bundesländer sind als Individuen der Klasse Bundesland Bezeichnung (LP_0000040) erfasst.

2. Zeitliche und stufenbezogene Einordnung

Jahrgangsstufe (LP_0000009) und Schulstufe (LP_0000020) strukturieren den zeitlichen Verlauf von Bildungsgängen. Schulstufe differenziert sich in Oberstufenphase, Einführungsphase und Qualifikationsphase. Schulabschluss (LP_0000019) modelliert erreichbare Abschlüsse wie Allgemeine Hochschulreife, Fachabitur, Mittlerer Schulabschluss und Erster Schulabschluss – jeweils auch in länderspezifischen Subklassen (z.B. Allgemeine Hochschulreife (HH), Mittlerer Abschluss (SN)).

3. Die Curricularen Elemente und die Heterogenitätslösung

Die anspruchsvollste und umfangreichste Schicht der Ontologie ist die Klasse Curriculares Element (LP_0000261). Sie ist der generische Oberbegriff für alle inhaltlichen Bausteine eines Lehrplans. Da die 16 Bundesländer ihre Lehrpläne strukturell sehr unterschiedlich aufgebaut haben, löst die Ontologie dieses Problem durch ein zweistufiges Muster:

Generische Superklassen fassen ähnliche Konzepte bundeslandübergreifend zusammen:

• CE-Fragment (LP_0001015): Abschnitte und Kapitel eines Lehrplans, die selbst keine inhaltliche Semantik tragen, aber Struktur geben – entspricht in jedem Bundesland dem länderspezifischen „Lehrplanfragment": Lehrplanfragment (BE), Lehrplanfragment (BY), Lehrplanfragment (HH), Lehrplanfragment (SN) usw.
• CE-Bereich (LP_0000349): Inhaltlich gegliederte Bereiche wie Kompetenzbereiche, Lernbereiche, Leitideen oder Themenfelder. Subklassen hiervon sind z.B. Kompetenzbereich (BE/HH/RP/SN/NW), Lernbereich (BY/SN/NI), Leitidee (BE/BW/HH/RP), Thema und Themenfeld in verschiedenen Ländervarianten sowie Inhalt (HH) oder Inhaltsfeld (HE/NW).
• CE-Kompetenzspezifikation (LP_0000263): Beschreibt Kompetenzen und Anforderungen, z.B. Anforderung/Mindestanforderung (HH), Kompetenzerwartung (BY), Kompetenz (RP), Standard (BE), Lernziel und Lerninhalt (SN).
• CE-Lerninhalt (LP_0000332): Inhaltliche Lerngegenstände.
• CE-Hinweis (LP_0000852): Didaktische Hinweise und Anmerkungen.

Länderspezifische Lehrpläne sind Subklassen von Lehrplan (LP_0000438): LehrplanPLUS (BY), Lehrplan (SN/RP/SL/ST/TH), Bildungsplan (BW/HH/HB), Rahmenlehrplan (BB), Kerncurriculum (NI/HE), Kernlehrplan (NW), Fachanforderung (SH), Rahmenplan (MV).

4. Niveau-System

Niveau (LP_0000037) ist die Superklasse für alle Leistungs- und Bildungsgangniveaus. Die wichtigsten Subklassen sind Bildungsgangniveau (LP_0000028) – z.B. Gymnasialniveau Sek I, Hauptschulniveau, Realschulniveau, Gymnasialniveau Sek II – sowie Fachniveau Sek II (LP_0000265) für Kursniveaus in der Oberstufe (Grundkurs/Leistungurs, sowie länderspezifische Varianten). Auch hier existieren für jedes Bundesland eigene Subklassen, da die Niveaubegriffe und Abschlussbezüge landesspezifisch benannt sind (z.B. BOA/BBR/EBBR/MSA-Niveau in Berlin).

5. Relationen und Funktionen

Die Ontologie verwendet eine Mischung aus BFO-Properties (Basic Formal Ontology) und eigenen Properties. Die wichtigsten sind:

• bfo:BFO_0000051 (hat Teil): Die zentrale Hierarchierelation, mit der Lehrpläne in Fragmente, Fragmente in Bereiche und Bereiche in Kompetenzen gegliedert werden.
• LP_0000029 (von Bundesland): Verknüpft jeden Lehrplanknoten mit seinem Bundesland.
• LP_0000026 (hat Jahrgangsstufe): Ordnet Inhalte und Anforderungen Jahrgangsstufen zu.
• LP_0000833 (hat Bildungsgangniveau): Gibt an, für welches Bildungsgangniveau ein Element gilt.
• LP_0000537 (hat Schulfach) und LP_0000812 (für Schulart): Verknüpfen Lehrpläne mit Fach und Schultyp.
• LP_0000021 (ermöglicht Abschluss): Verbindet Bildungsgänge mit erreichbaren Schulabschlüssen.
• LP_0030051/56/57 (hat Beschreibung / Titel / Nummer): Metadaten-Properties für textuelle Inhalte.

Ergänzt wird dies durch Schulartfunktion (LP_0000475) und Funktionsspezifikation (LP_0000478) mit Subklassen Strukturierungsfunktion, Beschreibungsfunktion, Bezugsfunktionen und Niveauspezifikationsfunktion – ein Mechanismus, mit dem jedem curricularen Element explizit angegeben wird, welche Rolle es im Lehrplan spielt (z.B. ob es strukturiert, beschreibt, auf etwas verweist oder ein Niveau spezifiziert).

Modellierung / Designprinzip

Das Grundprinzip der Ontologie lässt sich so zusammenfassen: Eine gemeinsame Abstraktion, viele länderspezifische Konkretisierungen. Alle 16 Bundesländer nutzen dieselben generischen Klassen (Lehrplan, CE-Fragment, CE-Bereich, CE-Kompetenzspezifikation) und Properties (hat Teil, hat Jahrgangsstufe, hat Bildungsgangniveau), erhalten aber jeweils eigene Subklassen, die die lokale Terminologie bewahren. So kann die Ontologie sowohl bundeslandübergreifende Suchen (z.B. „alle Kompetenzbereiche zu Thema X in allen Ländern") als auch länderspezifische Auswertungen (z.B. „alle Lernbereiche im LehrplanPLUS Bayern") präzise ermöglichen.

Die Ontologie ist modular aufgebaut: Die Strukturen und Inhalte jedes Bundeslandes werden in eigenen, voneinander getrennten Ontologien erfasst und durch eine übergeordnete Kern-Ontologie (Core) zusammengeführt. Diese Kern-Ontologie enthält diejenigen Elemente und Funktionen, die in allen Bundesländern grundsätzlich vorhanden sind – auch dann, wenn sie dort unterschiedliche Bezeichnungen, Strukturen oder Ausprägungen haben.

Um Lehrpläne bundesländerübergreifend gemeinsam durchsuchbar zu machen, ohne dabei die individuellen Begrifflichkeiten oder Modellierungen der Länder zu verändern, übernimmt die Kern-Ontologie eine verbindende Rolle: Sie definiert gemeinsame Funktionen und Beziehungstypen, über die die jeweiligen Landes-Elemente eindeutig zugeordnet und in ein gemeinsames semantisches System integriert werden.

Ein vereinfachtes Beispiel:

Viele Bundesländer verwenden für ein ähnliches inhaltliches Element – etwa eine Kompetenzbeschreibung – unterschiedliche Begriffe oder Strukturformen. Die Kern-Ontologie weist diesen Elementen eine gemeinsame funktionale Rolle zu, z. B. eine bestimmte Art von Kompetenzbeschreibung. Dadurch können die unterschiedlichen Landesmodelle eindeutig miteinander verknüpft werden. Auf dieser Grundlage werden einheitliche Abfragen möglich, obwohl die Datenstrukturen der Lehrpläne selbst nicht vereinheitlicht werden müssen.

Der modulare Aufbau und die Vernetzung über die Kern-Ontologie ermöglicht es perspektivisch, dass die Länder ihre Ontologien selbst verwalten, warten und anpassen können, ohne dass dadurch die Lehrplan-Ontologien der anderen Länder betroffen werden.

Zu den bereits erwähnten Kernelementen (s.o. Curriculare Elemente) gehören beispielsweise der Lehrplan, der als gedankliche Klammer vielfältige Lehrplan-Fragmente (CE-Fragment) umfasst. Solche Lehrplan-Fragmente sind als ordnende Elemente zu verstehen, die wiederum Kompetenzbereiche oder Themenfelder unter sich haben können. Kompetenzbereiche und Themenfelder können abermals jeweils Kompetenzbereiche oder Themenfelder untergeordnet haben, die auf unterster Ebene aber immer eine Kompetenzspezifikation oder einen Lerninhalt haben.

Beispielhafter Aufbau von Lehrplänen dargestellt mit unseren Kern-Elementen:

Ein Lehrplan in der Kern-Ontologie setzt sich so abstrakt aus einer Abfolge verschiedener Lehrplanfragmente zusammen, die untereinander vernetzt werden können. Beispielsweise kann sich eine Kompetenzspezifikation auf einen bestimmten Lerninhalt beziehen, mit anderen Kompetenzspezifikationen oder auch mit Lehr- und Lernmaterialien verknüpft werden.

Nachgenutzte Ontologien/Vokabulare

BFO

Top-Level-Ontologien sind allgemeine, abstrakte Ontologien, die grundlegende Kategorien und Beziehungen definieren, die für viele verschiedene Domänen anwendbar sind. Sie bieten eine einheitliche Struktur, um spezifische Ontologien miteinander zu verbinden und zu integrieren.

Die Basic Formal Ontology (BFO) ist eine solche Top-Level-Ontologie, die zwischen Continuants (Dinge, die über die Zeit bestehen, z. B. Objekte) und Occurrents (Prozesse, die sich über die Zeit erstrecken) unterscheidet. Sie wird insbesondere in den Lebenswissenschaften und der Technik eingesetzt, um Forschungsdaten systematisch zu organisieren.

Die Nutzung einer Top-Level-Ontologie wie BFO ist sinnvoll, weil sie eine konsistente und interoperable Grundlage für verschiedene Ontologien schafft. Dies erleichtert die Datenintegration, Wiederverwendbarkeit und semantische Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen und Disziplinen.

Die Schulfach-Ontologie

Die Schulfach-Ontologie (https://w3id.org/schulfach/1.0.0) ist ein kontrolliertes Vokabular für die Unterrichtsfächer aller 16 deutschen Bundesländer. Der Graph enthält genau 16 SKOS-ConceptSchemes – eines pro Bundesland (z.B. Schulfächer (Hamburg), Schulfächer (Bayern)) – und darin insgesamt 894 Schulfach-Individuen, die jeweils als Instanz von LP_0000001 (Schulfach) und skos:Concept typisiert sind. Jedes Fach ist über LP_0000029 (von Bundesland) an sein Bundesland gebunden und trägt ein rdfs:label mit dem länderspezifischen Fachnamen – denn derselbe Lehrgegenstand heißt in verschiedenen Ländern unterschiedlich (z.B. „Sachkunde" vs. „Heimat- und Sachkunde" vs. „Mensch-Natur-Technik").

Für die Interoperabilität über Ländergrenzen hinweg werden SKOS-Mapping-Properties genutzt: skos:exactMatch und skos:closeMatch verlinken länderspezifische Fächer sowohl untereinander als auch mit dem bundesweiten KIM-Schulfachvokabular (w3id.org/kim/schulfaecher), das als gemeinsamer Referenzpunkt dient. So lässt sich z.B. HH:Deutsch über exactMatch mit BY:Deutsch und dem KIM-Konzept s1005 (Deutsch) verknüpfen, ohne die länderspezifischen Bezeichnungen aufzugeben.

Repository: https://github.com/FWU-DE/schulfach-ontologie

SKOS-Vokabular: https://fwu-de.github.io/mem-skos-vocabs/

Die Schulart-Ontologie

Die Schulart-Ontologie (https://w3id.org/schulart/1.0.0) folgt demselben Grundmuster, ist aber inhaltlich dichter: Auch hier gibt es 16 SKOS-ConceptSchemes (eines pro Bundesland) mit 89 Schulart-Individuen (LP_0000111 Schulart + skos:Concept). Daneben enthält der Graph aber noch wesentlich mehr: Die Schularten sind direkt mit ihren Bildungsgangniveaus verknüpft (via LP_0000833 (hat Bildungsgangniveau)) und tragen damit bereits die Information, welche Leistungsniveaus an einer Schulart vergeben werden können. Am Hamburger Beispiel wird das deutlich: Das Gymnasium (HH_0000003) hat die Niveaus Gymnasialniveau Sek I (HH) und Studienstufenniveau (HH) (welche die Sekundarstufe I und II auf dem gymnasialen Niveau abdecken), während die Stadtteilschule (HH_0000002) gleich fünf Niveaus führt – von Mindestanforderungen bis hin zu Erhöhten Anforderungen. Diese Verknüpfung macht die Schulart-Ontologie zum Bindeglied zwischen Schulart, Bildungsgangniveau und den Anforderungen in den Lehrplandaten: Ein Lehrplan-Element, das über LP_0000833 (hat Bildungsgangniveau) auf ein bestimmtes Niveau zeigt, lässt sich so direkt zur passenden Schulart zuordnen und umgekehrt.

Repository: https://github.com/FWU-DE/schulart-ontologie

time ontology

...

relation ontology

...

information artefact ontology

...

SKOS

...

KIM-Vokabulare

...

Überblick über Klassen, Beziehungen, Hierarchien

Klassen

Klassen, die den Lernprozess beschreiben:

Hierarchische Übersicht:

• independant continuant (BFO)
  • material entity (BFO)
    • object (BFO)
      • Person
    • Organisation (BFO)
      • Schule
      • Schulklasse
• specifically dependent continuant (BFO)
  • realizable entity (BFO)
    • disposition (BFO)
      • function (BFO)
        • Schulartfunktion
      • Kompetenz
    • role (BFO)
      • Schüler Rolle
      • Lehrer Rolle
• process (BFO)
  • Lehrprozess
  • Lernprozess

Klassen, die das Bildungssytem beschreiben:

Hierarchische Übersicht:

• generically dependent continuant (BFO)
  • information content entity (Informationseinheit) (BFO)
    • Schulfach
    • Schulart
    • Schulstufe
    • Jahrgangsstufe
    • Oberstufenphase
    • Niveau
      • Bildungsgangniveau
      • Fachniveaus Sek II
      • Fremdsprachenniveau
• process (BFO)
  • Bildungsgang
    • Gymnasialer Bildungsgang
    • Hauptschulbildungsgang
    • Realschulbildungsgang
• process boundary (BFO)
  • Schulabschluss
    • Erster Schulabschluss
    • Mittlerer Schulabschluss
    • Allgemeine Hochschulreife

Klassen, die die Lehrpläne beschreiben:

Hierarchische Übersicht:

• information content entity (Informationseinheit) (BFO)
  • Lehrplan
  • Curriculares Element
    • CE-Fragment
    • CE-Bereich
    • CE-Kompetenzspezifikation
    • CE-Lerninhalt
    • CE-Hinweis
    • CE-Verweis
    • CE-Leitperspektive
  • Funktionsspezifikation
    • Beschreibungsfunktion
    • Strukturierungsfunktion
  • symbol (BFO)
    • Identifikationsnummer
  • textual entity (BFO)
    • Titel
    • Beschreibung
  • data item (BFO)
    • Zeitspezifikation
  • Unit

Genaue Definitionen der einzelnen Klassen sind zu finden unter: https://fwu-de.github.io/lehrplan-ontologie/index-de.html.

Instanzen (individuals)

Beziehungen (properties)

Mapping unterschiedlicher Terminologien der Bundesländer

So wie sich die Bildungssysteme von Bundesland zu Bundesland unterscheiden, variieren auch die Lehrpläne. Jedes Bundesland strukturiert seine Lehrpläne auf eigene Weise und verwendet teilweise unterschiedliches Vokabular, um gleiche oder ähnliche Konzepte zu beschreiben. Darüber hinaus bestehen innerhalb der Bundesländer fächerübergreifende Unterschiede, sowohl im Aufbau der Lehrpläne als auch in den verwendeten Begrifflichkeiten. Dies führt dazu, dass die Inhalte der Lehrpläne nicht immer eindeutig den von uns definierten Kern-Elementen (CE-Bereich, CE-Kompetenzspezifikation, CE-Lerninhalt und CE-Hinweis) zugeordnet werden können. Zusätzlich erschweren spezifische Besonderheiten einzelner Bundesländer — wie etwa die Aufnahme konkreter Unterrichtsbeispiele oder detaillierter Zeitvorgaben für Lerninhalte, die in anderen Lehrplänen nicht enthalten sind — die Einbindung in ein generisches Modell.

Im Rahmen der Analyse der Lehrpläne aller Bundesländer wurden zentrale inhaltliche Strukturen identifiziert, die in nahezu allen Lehrplänen vorkommen. Dabei wurden die Fächer Deutsch, Mathematik, Englisch (bzw. die erste Fremdsprache) sowie Physik (bzw. Sachunterricht oder Naturwissenschaften) berücksichtigt. Die identifizierten inhaltlichen Kernkomponenten werden als „Curriculare Elemente“ (CE) bezeichnet. Dazu gehören:

Grafik

Die nachfolgende Grafik veranschaulicht, wie diese zentralen Elemente der Ontologie dazu beitragen, bundeslandspezifische Terminologien konsistent abzubilden. Als Beispiel dienen Ausschnitte aus dem Deutsch-Lehrplan Mecklenburg-Vorpommerns. Unter jedem curricularen Element sind die Bezeichnungen aufgeführt, die in anderen Bundesländern für funktional vergleichbare Elemente verwendet werden. Diese Zuordnung ermöglicht es, die terminologischen Unterschiede der Länder beizubehalten und zugleich eine klare und strukturierte Vergleichbarkeit herzustellen.

Grafik

Integration der Bildungsstandards

Die Rolle der Kultusministerkonferenz (KMK) und die Nutzung ihrer Bildungsstandards in der Ontologie

Die Kultusministerkonferenz (KMK) ist das zentrale Gremium der 16 deutschen Bundesländer für alle Fragen rund um Bildung, Wissenschaft und Kultur. Da das Bildungswesen in Deutschland Länderhoheit ist, sorgt die KMK dafür, dass wichtige Aspekte des Schul- und Bildungsbereichs bundesweit abgestimmt sind und vergleichbare Standards bestehen. Zu ihren Aufgaben gehören unter anderem die Entwicklung gemeinsamer Rahmenvorgaben, die Abstimmung von Schulabschlüssen sowie die Formulierung bundesweit verbindlicher Bildungsstandards.

Für viele dieser Bildungsstandards stellt das IQB (Institut zur Qualitätsentwicklung im Bildungswesen) bereits digital nutzbare Daten bereit. Diese liegen in strukturierten, maschinenlesbaren Formaten vor und ermöglichen dadurch eine effiziente Weiterverarbeitung, Verknüpfung und Analyse. Zu diesen Standards zählen beispielsweise Kompetenzbeschreibungen für die Fächer Deutsch, Mathematik, die erste Fremdsprache (Englisch/Französisch) sowie die naturwissenschaftlichen Fächer (Biologie, Chemie und Physik). Die Bereitstellung in standardisierter Form schafft die Grundlage dafür, Bildungsinhalte über Ländergrenzen hinweg vergleichbar zu machen und digitale Anwendungen zu unterstützen.

In unserer Ontologie dienen die Bildungsstandards der KMK als übergeordnete Referenzstruktur. Analog zur Vorgehensweise bei den einzelnene Bundesländern, werden auch die in den Bildungsstandards vorkommenden Elemente den übergeordneten Curricularen Elementen zugeordnet und als eindeutig definierte Entitäten im Datenmodell hinterlegt. Diese Referenzpunkte können anschließend mit Lehrplanbestandteilen der Bundesländer verknüpft werden. Dadurch unterstützen die Bildungsstandards eine konsistente Verwendung von Kompetenzbeschreibungen, Betitlungen von Bereichen und Erwartungsniveaus und ermöglichen eine vergleichbare Einordnung der Lehrplaninhalte.

Die Bildungsstandards beziehen sich dabei auf eine Bildungsstufe und sind bis zum Ende der Primarstufe, der Sekundarstufe I (aufgeteilt in den Ersten und Mittleren Schulabschluss) und der Sekundarstufe II (Allgemeine Hochschulreife) zu erwerben. Da die Lehrpläne der Bundesländer allerdings meist auf Ebene der Jahrgangsstufen ausdifferenziert sind, können die Bildungsstandards nicht genau gleich übernommen werden. Außerdem gibt es nur für die oben genannten Fächer Bildungsstandards. Aus diesen Gründen reichen die Bildungsstandards nicht als gemeinsamer Nenner aller Lehrpläne. Trotzdem bieten sie eine wichtige Referenzquelle.