Übersicht über Freie Software für Schule und Unterricht

Das Verfassen von Texten – der Umgang mit der Schriftsprache – ist ein zentraler Aspekt von Lehren und Lernen. Im schulischen Alltag sind es Aufsätze, Dokumentationen, Beschreibungen und vieles andere mehr, die in Textform erstellt werden. Neben reinen Texten können durch den Einsatz des Computers Texte mit multimedialen Inhalten (wie Bildern, Grafiken, Klängen und Videos) ergänzt und präsentiert werden.

Freie Software bietet diverse Anwendungsmöglichkeiten in der Unterstützung des Unterrichts für alle Fächer sowohl für Lehrer*innen als auch jüngere und/oder ältere Schüler*innen in allen Klassenstufen. Teilweise stehen ausgearbeitete Unterrichtsreihen und Video-Tutorials für die Programme zur Verfügung. Die Themen sind vielfältig: Fachspezifisch für Mathematik, Informatik, Chemie, Musik und Geografie (spezielle Mathematiksoftware, Molekül- und Kartendarstellungen, grafische Programmiersprachen, Notensatzprogramm) sowie fachübergreifend (zum Erstellen von Mindmaps oder E-Learning-Content, für die Arbeit mit interaktiven Whiteboards, als elektronische Lernkartei, Simulation oder Lernsoftware).

Der Unterricht lässt sich auch mithilfe von Freier Software verwalten, organisieren und managen.

Bei der Arbeit mit Audio- und Videoinformationen begegnen einem zahlreiche Formate. Dabei ist es nützlich, den Unterschied zwischen einem Codec- und einem Containerformat zu kennen und etwas über mögliche rechtliche Gefahren zu wissen.

Codecs

Ein analoges Signal (z.B. ein Audiosignal) hat einen kontinuierlichen, stufenlosen Verlauf. Wird es in diskrete Einheiten wie Buchstaben oder Morsecode umgesetzt, spricht man von Kodierung. Bei einer digitalen Kodierung misst zunächst ein Sensor (z.B. ein Mikrofon) die jeweilige physikalische Größe (z.B. den Schalldruck) in Form einer analogen elektrischen Spannung. Dieser Spannungsverlauf wird in regelmäßigen Zeitabständen abgetastet und der jeweilige diskrete Wert digital erfasst, um so das Audiosignal mithilfe eines Computers speichern, übertragen und verarbeiten zu können. Um den Klang wieder hörbar zu machen, wandelt ein dem Kodierer komplementärer Dekodierer den binären Datenstrom im selben Zeitverlauf zurück in analoge Signale, die über einen Lautsprecher ausgegeben werden können. Da Codierer und Decodierer zusammen gehören, spricht man meist von Codecs. Werden bereits kodierte Daten in einen anderen Code übersetzt, spricht man von Transkodierung oder Konvertierung.

Während analog gespeicherte Inhalte (z.B. auf einer Schallplatte) mit jedem Kopiervorgang an Qualität verlieren, können digitale Daten ggf. mithilfe von Fehlerkorrekturalgorithmen verlustfrei kopiert werden. Zudem können digitale Daten komprimiert, d.h. entbehrliche Information entfernt werden, um die Datenmenge und somit den benötigten Speicherplatz und die Übertragungszeit zu reduzieren. Man unterscheidet zwischen verlustfreier Kompression, bei der die Originaldaten vollständig aus den komprimierten Daten zurückgewonnen werden können, und verlustbehafteter Kompression, bei der ein Teil der Information verloren geht.

Für Audio gehören zu den bekanntesten verlustbehaftet komprimierenden Codecs MP3 und AAC der MPEG und das freie Ogg Vorbis. Zu den verlustfrei komprimierenden Audiocodecs gehören AIFF und FLAC. Videocodecs komprimieren in der Regel verlustbehaftet: Dazu gehören MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 und WMV sowie das freie DivX und das freilizenzierte VP8 und VP9. Bilder lassen sich sowohl verlustfrei wie -behaftet komprimieren: mit JPEG, TIFF GIF und dem freien WebP sowie verlustfrei mit dem freien PNG.

Containerformat

Ein Verbunddokument wie ein Film oder eine Schülerzeitschrift in PDF besteht aus verschiedenen Datenströmen, die in einer Containerdatei zusammengeführt werden. Eine Filmdatei z.B. enthält neben Metadaten mindestens eine Video- und eine Audiodatei, die jeweils mit unterschiedlichen Codecs erstellt worden sein können. Überdies kann sie mehrere Audiodateien in verschiedenen Sprachen, Untertitel, Menüs usw. enthalten. Die Metadaten der Containerdatei sichern, dass jeder Datenstrom vom jeweiligen Codec dekodiert und alle synchron dargestellt werden. Containerformate sind auf bestimmte Anwendungen wie DVD, Webstreaming oder Digitalfernsehen optimiert.

WebM z.B. ist ein freies Containerformat, das in HTML5-Browsern Videos ohne zusätzliche Plugins wie den Flashplayer abspielt. Es kann Videos der Codecs VP8 und VP9 sowie Audios der Codecs Vorbis und Opus enthalten. Verbreitete proprietäre Audio-Video-Containerformate sind VOB, MP4, MPG, FLV, AVI und WMV. Die bekanntesten freien Containerformate sind Ogg, MKV und WebM.

Rechtliches

Die Unterscheidung zwischen freien und sonstigen Codecs verweist auf eine ähnliche Entwicklung wie bei proprietärer und Freier Software – mit dem Unterschied, dass es hier um Patente geht. MPEG (Moving Picture Experts Group), eine 1988 gegründete Arbeitsgruppe der Internationalen Organisation für Normung (ISO), entwickelt Standards für Video- und Audiokodierung. Codecs können als technische Erfindungen patentiert sein. Für ihre Benutzung verlangen die Patentinhaber in der Regel Lizenzgebühren.

In der MPEG Licensing Administration (MPEG LA) führen Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die Technologien für Video- und Audiocodecs entwickeln, ihre Patente zu Patentpools zusammen, um sie einheitlich zu lizenzieren. Hersteller von Unterhaltungselektronik und Softwareprodukten und Dienstleister wie Fernsehveranstalter erwerben diese Lizenzen, sodass sich private und gewerbliche Nutzer nicht darum kümmern müssen.

Anders sieht es für Freie-Software-Projekte aus: Wenige könnten für Produkte, die kostenlos verbreitet werden, die hohen Lizenzgebühren bezahlen. Zwar gibt es für viele patentierte Codecs freie Implementierungen, aber anders als im Urheberrecht, das den Nachbau von Funktionen mit eigenen Mitteln nicht verbietet und für die Entwicklung kompatibler Produkte sogar ausdrücklich erlaubt, verbieten Patente genau diesen Nachbau der patentierten Funktionen.

FFmpeg ist das zentrale Freie-Software-Projekt für Codecs. Als eine Art Schweizer Messer der freien audiovisuellen Software wird FFmpeg u.a. von den hier vorgestellten Programmen Audacity, VLC, Avidemux und Shotcut verwendet. Seine Bibliothek libavcodec enthält über 50 Video- und 30 Audiocodecs, größtenteils völlig neu geschrieben und weitestgehend konform mit MPEG- und anderen Standards. Damit hängt die Gefahr von Patentklagen über dem Projekt. Auch Projekte wie Ogg, das eigene Codecs entwickelt, können leicht unwillentlich und unwissentlich Patente verletzen (vgl. https://www.ffmpeg.org/legal.html). Audacity kommt daher von Hause aus nur mit freien Codecs, erlaubt es den Nutzer*innen aber, externe Bibliotheken wie LAME (eine freie Implementierung von MP3) und FFmpeg hinzu zu installieren.

Auf seiner Website stellt FFmpeg klar, dass die reinen Nutzer*innen freier, wahrscheinlich patentverletzender Codecs für den privaten und schulischen Gebrauch sich keine Sorgen machen sollten. Produzenten kommerzieller Softwareprodukte, die FFmpeg verwenden, hätten jedoch, sobald sie Geld verdienten, Lizenzforderungen der MPEG LA erhalten.

Bei digitalen Bildern unterscheidet man zwischen Rastergrafiken und Vektorgrafiken.

Raster- oder Bitmapgrafiken bestehen aus Bildpunkten (Pixeln) mit einem Farbwert, die in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind. Mit Mal- und Zeichenprogrammen erstellte Bilder, Scans und Fotos sind Rasterbilder. Vergrößert man Rasterbilder, vergrößern sich auch die rechteckigen Pixel und es entsteht der charakteristische Treppcheneffekt. Die bekanntesten Rastergrafikformate sind BMP, GIF, JPEG, PNG und TIFF. Folgende Programme des Werkzeugkastens erstellen und bearbeiten Rastergrafiken: LibreOffice Draw, GIMP, Pinta, Krita, RawTherapee.

Vektorgrafiken bestehen aus mathematischen Beschreibungen von grafischen Primitiven wie Linien, Kreisen und Polygonen. So werden für einen Kreis die Werte der Lage des Kreismittelpunkts und des Kreisdurchmessers gespeichert. Weitere Werte für Strichstärke, Farbe usw. können hinzukommen. Ein solcher Kreis oder komplexere Figuren wie ein Buchstabe oder ein Logo lassen sich ohne Treppcheneffekt vergrößern und so in bestmöglicher Qualität auf Rasterausgabegeräten wie Bildschirmen und Druckern darstellen. Sie werden u.a. für Schriften, Druckvorlagen, technische Zeichnungen, Karten und 3D-Animationen in Kinofilmen verwendet. Vektorgrafiken entstehen durch geometrische Modellierung. Sie werden in 2D- oder 3D-Vektorgrafikprogrammen erstellt. Rastergrafiken können durch Algorithmen mit gewissen Einschränkungen in Vektorgrafiken umgewandelt werden. Vektor- und Rastergrafiken können auch kombiniert werden, z.B. in Seitenbeschreibungssprachen wie PostScript und dem daraus abgeleiteten PDF. Die bekanntesten 2D-Vektorgrafikformate sind SVG, DXF, EPS und PDF. Folgende Programme des Werkzeugkastens erstellen und bearbeiten Vektorgrafiken: LibreCAD, Dia, LaTeX, Inkscape, Blender.

Mit Synfig, LibreOffice Impress und Scribus lassen sich sowohl Raster- wie Vektorgrafiken verarbeiten.

Im Folgenden werden neben einem E-Mail-Programm auch zwei Webbrowser vorgestellt, also Programme zur Darstellung von Webseiten sowie Dokumenten und Daten, die es ermöglichen im World Wide Web (WWW) zu surfen.