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PISA ist eine Stichprobenerhebung in der pro Land mindestens 4'500 15-jährige Schülerinnen und Schüler aus 150 Schulen getestet werden. In der Schweiz wurde in allen PISA-Erhebungen zusätzlich eine regionale Stichprobe von SchülerInnen aus dem 9. Schuljahr in Bezug auf das Niveau am Ende der obligatorischen Schulzeit erhoben. Zahlreiche Kantone haben sich für eine kantonale Zusatzstichprobe entschieden für die sie auch die Kosten tragen. Dieses Oversampeling liefert aussagekräftige Informationen über den eigenen Kanton. Der PISA-Test ist ein Papier- und Bleistift-Test von 2 Stunden Dauer. Neben dem eigentlichen Test füllen die Jugendlichen einen Fragebogen über ihre persönlichen Verhältnisse, ihre Lernstrategien und ihr schulisches und familiäres Umfeld aus. Diese Daten werden verwendet, um sie in Beziehung zu den Kompetenzen zu setzen.
Die Kompetenzen werden aufgrund der Testleistungen (Antworten zu den Testfragen) mit modernen psychometrischen Methoden geschätzt (Item Response Theorie). Der Einsatz dieser Verfahren erlaubt es auch, dass nicht alle Jugendlichen dieselben Testfragen beantworten müssen, ihre Testleistungen aber dennoch miteinander verglichen werden können. Dies ist notwendig, damit die breit definierten Kompetenzbereiche von PISA mit einer hinreichenden Anzahl an Testfragen abgedeckt werden können. Sämtliche Aufgaben einer PISA-Erhebung aneinandergereiht entsprechen etwa einer Testdauer von 7.5 Stunden.
An der dritten Erhebung haben rund 24'700 SchülerInnen aus 510 Schulen teilgenommen. Darunter fand in der gesamten Romandie und im Tessin eine Zusatzstichprobe statt. Ein wachsender Anteil der deutschsprachigen Kantone oder Kantonsteile hat sich ebenfalls für eine Zusatzstichprobe entschieden, darunter: Aargau, Basel-Landschaft, Bern, St.Gallen, Schaffhausen, Thurgau, Wallis und Zürich. Wie in der vorherigen Erhebung gibt es einen Datensatz für die beiden Stichproben.