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학업성취도 평가 대상의 표본을 추출하기 위하여 2단계 층화 군집 표본 설계(atwo-stage stratified cluster sample design)에 따라서 연도별로 비교적 일관된 방법을 유지하여 왔다. 2006년에는 기존 표집 설계를 수정 보완하여 체계화하였다. 먼저 1단계 표집 단위인 학교를 무선 표집 하던 방식에서 크기 비례 법에 의한 체계적 표집(systematicsampling) 방법으로 변경하였다. 이는 각 학교에 속한 학생들의 표집 확률을 동일하게 하기 위한 것이었다. 2단계 표집 단위인 학급을 표집 하는 방법은 학교의 참여율을 높이기 위하여 해당 학교에서 학급을 표집 하는 편의 표집(convenience sampling) 방식에 의존했다가 표본의 대표성 확보를 위해 2011년부터는 무선으로 학급을 선택하여 가중치 및 표집오차 산출이 가능하도록 하였다.
학업성취도 평가 대상의 표집에 있어 2단계 층화 군집 표본 설계를 사용했는데, 학생별 표집 확률을 일정하게 하고자 크기 비례법에 의한 체계적 표집법을 사용하고 학급 표집법으로서 무선으로 학급을 선택하는 등 약간의 수정 보완이 있었다.