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Die folgenden Merkmale unterscheiden PISA zum Teil deutlich von früheren Schulleistungsuntersuchungen:

• PISA wird im Auftrag der Regierungen durchgeführt (in Deutschland: der Kultusministerkonferenz).
• PISA soll in regelmäßigem Turnus fortgeführt werden.
• PISA untersucht Schüler einer Altersstufe, nicht einer schulischen Klassenstufe.
• PISA konzentriert sich nicht auf ein einzelnes Schulfach, sondern untersucht die drei Bereiche Lesekompetenz, Mathematik und Naturwissenschaften.
• Aufgaben werden in "persönlich oder kulturell relevante Kontexte" eingebettet.
• PISA orientiert sich nicht an der Schnittmenge nationaler Curricula, sondern postuliert einen eigenen Bildungsbegriff, der auf Englisch als literacy bezeichnet wird: "das Wissen, die Fähigkeiten, die Kompetenzen, ... die relevant sind für persönliches, soziales und ökonomisches Wohlergehen" Measuring Student Knowledge and Skills: A New Framework for Assessment (OECD 1999). "Hinter diesem Konzept verbirgt sich der Anspruch, über die Messung von Schulwissen hinauszugehen und die Fähigkeit zu erfassen, bereichsspezifisches Wissen und bereichsspezifische Fertigkeiten zur Bewältigung von authentischen Problemen einzusetzen."

Vertragsmäßige Aufgabe der OECD ist Politikberatung. PISA soll nicht nur eine Beschreibung des Ist-Zustands liefern, sondern Verbesserungen auslösen. Insoweit PISA ein eigenes Bildungskonzept zugrundeliegt, wird zumindest implizit der Anspruch erhoben, auf die nationalen Lehrpläne zurückzuwirken.

Jede PISA-Studie umfasst die drei Bereiche Lesekompetenz, Mathematik und Naturwissenschaften. Bei jedem Durchgang wird ein Bereich vertieft untersucht: 2000 die Lesekompetenz, 2003 Mathematik, 2006 Naturwissenschaften. Dieser Zyklus soll alle neun Jahre wiederholt werden.

Zusätzlich wird in jeder Studie ein Querschnittsthema untersucht: 2000 Lernstrategien und Selbstreguliertes Lernen, 2003 Problemlösung, 2006 Informationstechnische Grundbildung. Diese Zusatzuntersuchung wird nicht in allen Staaten durchgeführt.