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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.
Da in der Erhebung 2003 dem Fragebogen keine zusätzlichen nationalen Module angehängt wurde, erübrigt sich die Archivierung der Daten der Grundgesamtheit der 15-jährigen SchülerInnen - welche als Pisa Data 2003 bei OECD bezogen werden können.
Die Daten der zweiten Grundgesamtheit in der Schweiz, der SchülerInnen der 9. Klasse, wurden in einem einzigen Datensatz zusammengefasst. Dieser Datensatz setzt sich zusammen aus der Befragung der Grundstichprobe und der Aufstockungen in jenen Kantonen, welche ein Oversampling wollten. Dies sind alle französischsprachigen Kantone oder Kantonsteile, sowie im deutschsprachigen Teil der Schweiz die Kantone Aargau, St.Gallen, Thurgau, Zürich und die deutschsprachigen Kantonsteile der Kantone Bern und Wallis. Das Auswahlverfahren des Oversamplings wich im Jahr 2003 von demjenigen der internationalen Stichprobe der 15-Jährigen ab. Es wurden zufällig Schulen gezogen und daraus Schulklassen der 9. Schulstufe gezogen, aus welchen dann sämtliche SchülerInnen befragt wurden. Zur Vermeidung eines Klumpenrisikos ist die Zusatzstichprobe auf mindestens 1500 Jugendliche pro Kanton erweitert worden. Diese Vergrösserung der Zusatzstichprobe führt in den Kantonen Jura, Bern(f) und Wallis(d) zu einer Vollerhebung. In den Kantonen Freiburg, Neuenburg und Genf sind alle Schulen gezogen worden, da in diesen Kantonen die Schuleinheiten grösser sind als in den übrigen Kantonen der Schweiz.