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PISA unterscheidet sich von früheren leistungsvergleichenden Studien vor allem durch die außergewöhnlich umfassende und differenzierte Datengrundlage, welche neben den eigentlichen Schülerleistungen auch den familiären, sozialen und individuellen „Leistungshintergrund“ der Jugendlichen (z.B. Merkmale des Elternhauses, Interessen und Einstellungen der Jugendlichen, Merkmale der Schule) berücksichtigt. Mit Hilfe dieser Kontextfaktoren werden Leistungsunterschiede insofern interpretierbar, als Zusammenhänge zwischen dem Leistungsstand der Schüler und bestimmten Rahmenbedingungen des Lernens aufgezeigt werden können.

Die eigentlichen Leistungstests umfassen neben drei verschiedenen Inhaltsbereichen (Lesekompetenz, mathematische und naturwissenschaftliche Grundbildung) auch fächerübergreifende Kompetenzen, wie z.B. die Problemlösefähigkeit oder die Fähigkeit zum selbstgesteuerten Lernen.

Die PISA–Studie umfasst gemäß der Planung der OECD zunächst mindestens drei Erhebungsphasen (in den Jahren 2000, 2003 und 2006), die sich durch wechselnde inhaltliche Schwerpunkte auszeichnen. So war bei PISA 2000 der Test zur Lesekompetenz besonders umfassend, während im Jahr 2003 die Mathematik und im Jahr 2006 die Naturwissenschaften im Vordergrund stehen werden.