안녕하세요. 이번 주제는 교육 현장에서 학생들의 심리적 특성이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는지를 정밀하게 분석할 수 있는 잠재 특성-상태 모형(Latent Trait-State Models, LTS)입니다.
많은 연구자가 학생의 ‘학업 열의’나 ‘자아효능감’을 측정할 때, 이것이 변하지 않는 학생 고유의 기질(Trait)인지, 아니면 그날의 기분이나 환경에 따라 변하는 상태(State)인지 고민합니다. 과거에는 이 둘을 이분법적으로 보았지만, 현대 통계학은 이 두 가지가 공존한다고 봅니다.
1. 변하는 것과 변하지 않는 것
교육학 데이터를 다루다 보면 동일한 학생을 여러 시점에 걸쳐 추적 조사(종단 연구)하게 됩니다. 이때 우리가 얻는 점수는 두 가지 성분의 합으로 볼 수 있습니다.
- 시간 불변 성분 (Time-Invariant Component, ): 흔히 ‘특성(Trait)’이라고 부릅니다. 시간이 흘러도 변하지 않는 학생의 고유한 기준점입니다. 1년이 지나도, 2년이 지나도 개인차의 상관관계는 1.0이라고 가정합니다.
- 시간 가변 성분 (Time-Varying Component, ): 흔히 ‘상태(State)’ 또는 ‘상황(Occasion)’이라고 부릅니다. 특정 시점에만 영향을 미치는 변동성입니다. 이 성분은 시간이 지날수록 상관관계가 낮아지는 자기회귀(Autoregressive) 속성을 가집니다.
이 장의 목표는 관측된 점수에서 이 두 가지 성분을 분리해 내는 구조방정식 모형(SEM)을 배우는 것입니다.
2. 기본 모형: 단변량 특성-상태-오차 모형 (Kenny-Zautra)
가장 기초적인 모형은 Kenny와 Zautra(1995)가 제안한 모형입니다.
2.1 개념
이 모형은 각 시점()마다 하나의 측정 변수()만 있을 때 사용합니다.
여기서 는 측정 오차입니다. 는 이전 시점의 에 영향을 받는 자기회귀 구조를 가집니다().
2.2 한계점
이 모형은 단순하고 우아하지만, 실제 분석에서는 자주 실패합니다.
- 수렴이 잘 안 되거나 범위를 벗어난 추정치(Heywood case)가 나오기 쉽습니다.
- 안정적인 결과를 얻으려면 표본 크기가 매우 커야 하고(500명 이상 권장), 4번 이상의 측정 시점이 필요합니다.
따라서 우리는 더 강력하고 안정적인 다변량 모형으로 넘어갑니다.
3. 다변량 특성-상태-상황 (Trait-State-Occasion, TSO) 모형
교육 연구에서는 보통 하나의 구성개념을 측정하기 위해 여러 개의 문항(예: 학업열의 1, 2, 3번 문항)을 사용합니다. 이를 활용한 것이 TSO 모형입니다.
3.1 모형의 구조
이 모형은 각 시점()의 잠재변수()를 추출한 뒤, 이 잠재변수를 다시 와 로 분해합니다.
이 모형의 장점은 측정 오차를 잠재변수 단계에서 미리 걸러내기 때문에, 와 의 분산을 더 정확하게 추정할 수 있다는 점입니다.
4. 실습: 가상의 교육 데이터 시나리오
여러분의 이해를 돕기 위해 가상의 고등학교 데이터를 생성하여 실습해 보겠습니다.
4.1 시나리오: “우리 학교 학생들은 학교를 얼마나 좋아하는가?”
- 연구 주제: 고등학생의 ‘학교 소속감(School Belonging)’ 변화 연구
- 대상: 고등학교 1학년 신입생 500명
- 기간: 1학년 1학기부터 2학년 2학기까지 총 4학기 (4 Waves)
- 측정 도구: 학교 소속감 척도 3문항 (Item 1, 2, 3)
- Item 1: 나는 이 학교의 일원이라고 느낀다.
- Item 2: 나는 학교에 오면 마음이 편하다.
- Item 3: 선생님과 친구들은 나를 존중해 준다.
- 가정:
- 학생마다 타고난 사교성(Trait, )이 존재함.
- 학기마다 담임선생님이나 짝꿍에 따라 소속감(State, )이 변동함.
- 지난 학기의 기분이 이번 학기에 영향을 줌(Autoregression).
4.2 데이터 생성 및 분석 도구 (R & jamovi)
jamovi 자체에는 복잡한 종단 구조방정식을 위한 메뉴가 없지만, SEMLj 모듈(lavaan 기반)을 설치하면 분석이 가능합니다. 혹은 R의 lavaan 패키지를 직접 사용할 수도 있습니다.
아래는 R을 사용하여 이 시나리오에 맞는 데이터를 생성하고 분석하는 코드입니다. 이 코드를 RStudio에서 실행하거나, 생성된 데이터를 jamovi로 불러와 분석할 수 있습니다.
R
# 필수 패키지 로드
if(!require(lavaan)) install.packages("lavaan")
if(!require(MASS)) install.packages("MASS")
set.seed(2026) # 재현성을 위한 시드 설정
# 1. 데이터 생성 시뮬레이션
N <- 500 # 표본 크기 (안정적 추정을 위해 500명 설정)
Waves <- 4
# 잠재 변수 생성
# Trait (I): 시간 불변 성분 (평균 0, 분산 0.5)
Trait <- rnorm(N, 0, sqrt(0.5))
# State (V): 시간 가변 성분 (자기회귀 구조)
V <- matrix(0, N, Waves)
beta <- 0.4 # 자기회귀 계수 (이전 시점이 다음 시점에 미치는 영향)
V[,1] <- rnorm(N, 0, sqrt(0.5)) # 첫 시점
for(t in 2:Waves){
# Vt = beta * V(t-1) + disturbance
V[,t] <- beta * V[,t-1] + rnorm(N, 0, sqrt(0.5 * (1 - beta^2)))
}
# 관측 변수 (Y) 생성: Y = Loading*L + Error
# L = Trait + State
Data <- data.frame(ID = 1:N)
loadings <- c(1.0, 0.9, 0.8) # 문항별 요인적재량 (비등가 가정)
for(t in 1:Waves){
Latent_L <- Trait + V[,t]
for(k in 1:3){ # 3개의 문항
# 측정 오차 추가
error <- rnorm(N, 0, 0.3)
# 변수명 생성 (예: T1_Item1)
var_name <- paste0("T", t, "_Item", k)
Data[[var_name]] <- loadings[k] * Latent_L + error
}
}
# 생성된 데이터 확인
head(Data)
write.csv(Data, "School_Belonging_Longitudinal.csv", row.names=FALSE)
5. TSO 모형 분석 단계 (jamovi SEMLj / lavaan 문법)
이제 위에서 만든 데이터를 가지고 실제 TSO 모형을 분석해 봅니다. TSO 모형은 문법이 다소 복잡하므로 꼼꼼히 작성해야 합니다.
5.1 분석 전략: 비등가 측정 및 공유된 방법 변량
초기 TSO 모형은 모든 문항의 영향력이 같다고 가정(타우-동등)했으나, 이는 현실적이지 않습니다. 또한, 같은 문항을 반복 측정하면 방법 효과(Method Effect)가 발생하여 오차끼리 상관이 생깁니다. 이를 반영한 상관된 고유성(Correlated Uniqueness, CU) 모델을 사용해야 편의(bias)를 줄일 수 있습니다.
5.2 lavaan 문법 (jamovi의 SEMLj 모듈에 붙여넣기)
R
# TSO Model Syntax
# 1. 각 시점(Wave)의 잠재변수(L) 정의 (Latent Variables)
L1 =~ 1*T1_Item1 + T1_Item2 + T1_Item3
L2 =~ 1*T2_Item1 + T2_Item2 + T2_Item3
L3 =~ 1*T3_Item1 + T3_Item2 + T3_Item3
L4 =~ 1*T4_Item1 + T4_Item2 + T4_Item3
# 2. 측정 불변성 가정 (Factor Loadings Equality across waves)
# 같은 문항은 시간이 지나도 같은 요인 적재량을 가져야 함
L1 =~ l2*T1_Item2 + l3*T1_Item3
L2 =~ l2*T2_Item2 + l3*T2_Item3
L3 =~ l2*T3_Item2 + l3*T3_Item3
L4 =~ l2*T4_Item2 + l3*T4_Item3
# 3. 측정 오차의 공분산 (Correlated Uniqueness) - 방법 효과 통제
T1_Item1 ~~ T2_Item1 + T3_Item1 + T4_Item1
T2_Item1 ~~ T3_Item1 + T4_Item1
T3_Item1 ~~ T4_Item1
T1_Item2 ~~ T2_Item2 + T3_Item2 + T4_Item2
T2_Item2 ~~ T3_Item2 + T4_Item2
T3_Item2 ~~ T4_Item2
T1_Item3 ~~ T2_Item3 + T3_Item3 + T4_Item3
T2_Item3 ~~ T3_Item3 + T4_Item3
T3_Item3 ~~ T4_Item3
# 4. 특성(Trait)과 상태(State)로 분해
# Trait (I)는 모든 시점의 L에 동일한 영향(1.0)을 미침
Trait =~ 1*L1 + 1*L2 + 1*L3 + 1*L4
# State (V) 정의: L = I + V 이므로, L을 구성하는 잔차(residual)가 곧 State가 됨
# 하지만 lavaan에서는 별도의 State 잠재변수를 만드는 것이 명확함.
# 여기서는 L의 잔차를 V로 개념화하는 방식을 주로 씀.
# 더 명시적인 TSO 모델링을 위해 State 잠재변수(S)를 정의함.
S1 =~ 1*L1
S2 =~ 1*L2
S3 =~ 1*L3
S4 =~ 1*L4
# 5. Trait와 State의 관계 설정
# Trait와 State는 서로 독립
Trait ~~ 0*S1 + 0*S2 + 0*S3 + 0*S4
# 6. State의 자기회귀 구조 (Autoregression)
S2 ~ beta*S1
S3 ~ beta*S2
S4 ~ beta*S3
# 7. 식별을 위한 제약 조건 (Trait 분산 추정, State 잔차 분산 등)
Trait ~~ NA*Trait # Trait 분산 자유 추정
S1 ~~ S1 # 첫 시점 State 분산 자유 추정
[해석 팁]
- Trait의 분산: 학생 고유의 ‘학교 소속감’ 기질이 얼마나 차이가 나는지 보여줍니다.
- State의 자기회귀 계수(beta): 이전 학기의 소속감이 다음 학기로 얼마나 이월되는지 보여줍니다. 이 값이 1에 가까우면 변화가 거의 없는 것이고, 0에 가까우면 매 학기 새롭게 리셋되는 것입니다.
- 오차 상관: 문항 자체의 특성 때문에 생기는 상관관계를 제거하여 순수한 Trait와 State를 발라내는 역할을 합니다.
6. 심화: 잠재 평균을 포함한 확장된 TSO 모형
단순히 분산(변동성)만 보는 것이 아니라, “어떤 집단이 전반적으로 소속감이 더 높은가?”를 알고 싶다면 평균 구조(Mean Structure)를 포함해야 합니다.
6.1 연구 질문의 확장
- 남학생과 여학생 간에 ‘학교 소속감’의 Trait 평균()에 차이가 있는가?
- 특정 시점(예: 2학년 1학기)에 소속감의 State 평균()이 급격히 떨어지는가?
6.2 분석 방법
다집단 분석(Multi-group analysis)을 수행합니다. 제약 조건은 들의 평균 합을 0으로 설정하여, 의 평균이 전체 기간의 ‘그랜드 평균(Grand Mean)’을 의미하도록 합니다.
결과 해석 예시:
“분석 결과, 여학생 집단이 남학생 집단보다 Trait 평균이 유의하게 높았다(). 이는 여학생이 전반적으로 학교에 대한 소속감이 더 높음을 의미한다. 반면, 2학년 1학기의 State 평균은 두 집단 모두에서 음수(-)로 나타났는데, 이는 ‘학업 스트레스’라는 상황적 요인이 학생들의 소속감을 일시적으로 낮추었음을 시사한다.”
7. 결론 및 제언
LTS(잠재 특성-상태) 모형은 교육학 데이터처럼 인간의 심리가 ‘변하지 않는 기질’과 ‘변하는 상태’의 혼합물이라는 점을 통계적으로 명확히 규명해 줍니다.
이 모형을 사용할 때의 핵심 요약:
- 데이터: 최소 4시점 이상, 표본 수 200명 이상(안정적으로는 500명) 확보하세요.
- 모형: Kenny-Zautra(단변량)보다는 TSO(다변량) 모형을 우선 고려하세요.
- 오차: 반복 측정으로 인한 방법 효과(오차 상관)를 반드시 모형에 포함하세요.
여러분의 연구가 학생들의 성장을 단순히 점수의 변화로만 보는 것을 넘어, 그 이면의 안정성(Trait)과 가변성(State)의 역동을 이해하는 깊이 있는 연구가 되기를 바랍니다.
참고문헌
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- Herzog, C., & Nesselroade, J. R. (1987). Beyond autoregressive models: Some implication of the trait-state distinction for the structural modeling of developmental change. Child Development, 58, 93–109.
- Kenny, D. A., & Zautra, A. (1995). The trait-state-error model for multiwave data. Journal of Consulting and Clinical Psychology, 63, 52–59.
- LaGrange, B., & Cole, D. A. (2008). An expansion of the trait-state-occasion model: Accounting for shared method variance. Structural Equation Modeling, 15(2), 241–271.
- Spielberger, C. D. (1966). Theory and research on anxiety. In Anxiety and behavior (pp. 23–62). New York: Academic Press.







