teaching with immersive virtual...

10
Teaching with Immersive Virtual Archaeology Brian M. Slator, Jeffrey T. Clark, James Landrum III, Aaron Bergstrom, Justin Hawley, Eunice Johnston, and Shawn Fisher Departments of Computer Science, Sociology/Anthropology, English North Dakota State University Fargo, ND 58105 Abstract We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology education. 1. Introduction The Virtual Archaeologist is designed to give students an authentic experience that includes elements of a) exploration of a spatially oriented virtual world, b) practical, field- based decision making, and c) critical thinking for scientific problem solving. The objectives of the project include assessment of student performance, evaluation of instructor feedback, and incorporation of that information into the continuing design of the system. The larger objective is the distribution of this experience to archaeology students around the world. We have started to develop an immersive multi-user 3D virtual environment that faithfully reproduces an archeological site: Like-a-Fishhook/Fort Berthold (LF/FB). The site is rendered as two discrete models, the first representing the site in 1954 (just prior to its destruction by the Garrison Dam flooding), and the second being a mirror of the first, but representing how it was in 1854. This mirroring will support "time travel" that will enable students to visit both times, and to visualize the relationships between a "dig" and a village a century earlier. The 1954 world is built from distribution maps of archaeological features and floor plans (or birds- eye views) of those features. These archaeological features include linear trenches with wooden post remnants, circular depressions where earth lodges stood (20 excavated) with a series of stains from structural posts, and a variety of soil discolorations from pits, fireplaces, and other features. In the 1854 world, the archaeological traces are seen as timber palisades, remarkable earth and timber lodges, cache pits, scaffoldings, etc. 2. Background: The Like-a-Fishhook Story. Prior to the coming of European Americans, the Mandan, Hidatsa, and Arikara tribes of the Middle Missouri River resided in sedentary earth-lodge communities. Despite a basic similarity of economic and social life, these peoples differed remarkably in language and customs; the Mandan and Hidatsa speak a Siouan dialect, while the Arikara, related to the Pawnee, are members of the Caddoan linguistic group. One of the most important historic sites of the Northern Plains was Like-a-Fishhook Village, which was occupied simultaneously by all three, known today officially as the Three Affiliated Tribes. Like-A-Fishhook Village, also called Fort Berthold, was located north of the confluence of the Missouri and Knife rivers in central North Dakota. As the last earth-lodge settlement of the Northern Plains, the site documents an extraordinary episode of cultural transformation [1]. The village was initially founded in the aftermath of a devastating smallpox epidemic in 1837. The Mandan population was most heavily affected by the epidemic, being reduced to fewer than 200 individuals. Though not as severely struck by this terrible disease, the Arikara and Hidatsa populations shrank as well. Ethnohistorical evidence suggests that the first permanent residents of Like-a-Fishhook Village were Hidatsa who arrived in 1845 [1:4-5]. They were joined shortly thereafter by a smaller group of Mandan. At about the same time as the Hidatsa built their first earth Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Upload: others

Post on 11-Feb-2020

21 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

Teaching with Immersive Virtual Archaeology

Brian M. Slator, Jeffrey T. Clark, James Landrum III, Aaron Bergstrom, JustinHawley, Eunice Johnston, and Shawn Fisher

Departments of Computer Science, Sociology/Anthropology, EnglishNorth Dakota State University

Fargo, ND 58105

AbstractWe describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology education.

1. IntroductionThe Virtual Archaeologist  is  designed  to  give  students  an  authentic  experience  that

includes elements of a) exploration of a spatially oriented virtual world, b) practical, field-based  decision  making,  and  c)  critical  thinking  for  scientific  problem  solving.  Theobjectives  of  the  project  include  assessment  of  student  performance,  evaluation  ofinstructor feedback, and incorporation of that information into the continuing design of thesystem. The  larger objective  is  the distribution of  this experience  to archaeology studentsaround the world.  We have started to develop an immersive multi-user 3D virtual environment that

faithfully  reproduces  an  archeological  site: Like-a-Fishhook/Fort Berthold  (LF/FB). Thesite is rendered as two discrete models, the first representing the site in 1954 (just prior toits destruction by  the Garrison Dam flooding), and  the second being a mirror of  the first,but representing how it was in 1854.This mirroring will support "time  travel"  that will enable students  to visit both  times,

and to visualize the relationships between a "dig" and a village a century earlier. The 1954world is built from �distribution maps� of archaeological features and floor plans (or bird�s-eye views) of  those  features. These  archaeological  features  include  linear  trenches withwooden post remnants, circular depressions where earth lodges stood (20 excavated) with aseries  of  stains  from  structural  posts,  and  a  variety  of  soil  discolorations  from  pits,fireplaces,  and  other  features.  In  the  1854 world,  the  archaeological  traces  are  seen  astimber palisades, �remarkable� earth and timber lodges, cache pits, scaffoldings, etc.

2. Background: The Like-a-Fishhook Story.Prior to the coming of European Americans, the Mandan, Hidatsa, and Arikara tribes of

the Middle Missouri River  resided  in sedentary earth-lodge communities. Despite a basicsimilarity of economic and social  life,  these peoples differed  remarkably  in  language andcustoms; the Mandan and Hidatsa speak a Siouan dialect, while the Arikara, related to thePawnee, are members of the Caddoan linguistic group.One of  the most  important historic  sites of  the Northern Plains was Like-a-Fishhook

Village, which was occupied  simultaneously by  all  three, known  today officially  as  theThree Affiliated Tribes. Like-A-Fishhook Village, also called Fort Berthold, was  locatednorth of  the confluence of  the Missouri and Knife  rivers  in central North Dakota. As  thelast  earth-lodge  settlement  of  the Northern  Plains,  the  site  documents  an  extraordinaryepisode of cultural transformation [1]. The village was initially founded in the aftermath ofa  devastating  smallpox  epidemic  in  1837.  The Mandan  population  was most  heavilyaffected  by  the  epidemic,  being  reduced  to  fewer  than  200  individuals. Though  not  asseverely struck by this terrible disease, the Arikara and Hidatsa populations shrank as well.Ethnohistorical  evidence  suggests  that  the  first  permanent  residents  of Like-a-FishhookVillage were Hidatsa who arrived in 1845 [1:4-5]. They were joined shortly thereafter by asmaller  group  of Mandan. At  about  the  same  time  as  the Hidatsa  built  their  first  earth

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 2: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

lodges, a white  trading company  (the American Fur Company), established a post at  thesite, with  log structures and a stockade, which eventually became known as Fort Berthold(dubbed Fort Berthold I by G. Hubert Smith). By 1862, a new trading post (Fort BertholdII), by a different  trading company, had replaced  the first, which had burnt  to  the ground.Also  around  1862,  the Arikara  arrived,  establishing  themselves  in  a  new  section  of  thevillage, building on the site of the first fort.Over  the  decades, more  European  Americans moved  into  the  region  and  the  area

surrounding Like-A-Fishhook/Fort Berthold Village  changed  significantly.  In  the 1860s,Fort Berthold (by then a mixed community of Native Americans, European Americans, andmixed bloods), �was a base for Federal military units campaigning in the Dakota Territoryagainst fugitive remnants� of Native American tribes in the region [1:17]. In the late 1880sthe village was abandoned, as native  residents were  forced  to  leave  the  site and  take upoccupation on new areas of the then Fort Berthold Indian Reservation.Data recovery projects (archaeological salvage excavations) were carried out at the site

in 1950-52 and 1954 by the State Historical Society of North Dakota, under contracts withthe National Park Service (NPS) and by the River Basin Surveys of the Smithsonian. Risingwaters  from  the Garrison Dam and Reservoir project ultimately  inundated  the site, whichnow rests about a mile offshore under the waters of Lake Sakakawea (Garrison Reservoir).Although many  individuals were  involved  in  that work,  the final report was written by G.Hubert Smith and published by the NPS, U.S. Department of the Interior in 1972 [1]. In thepreface to his book, Smith wrote of this important site:�The former earth-lodge settlement of the Hidatsa, Mandan, and Arikara Indians, known

both  as  Like-a-Fishhook Village  and  as  Fort Berthold  Indian Village, was  one  of  theimportant  historic  sites  of  the  upper Missouri Valley. � The  abandonment  of Like-a-Fishhook Village marked  the  close  of  a  decisive  era  of  Indian  history  in  the NorthernPlains� [1:v].

2.1. Background: Historical and Anthropological Significance of the Site.The unification of these three tribes tells of the significant impact that the coming of the

European American white man had upon Native American cultures.   Peoples with similarbut distinctive Native American heritage closed  ranks and banded  together,  setting asidetheir differences in response to increasing pressures brought upon them by contact with thewhite man.The  sites  of Like-A-Fishhook Village  and  Fort Berthold  I  and  II,  though  no  longer

extant, have, historically, held a significant role in the discipline of anthropology.  The rollcall of  explorers,  archaeologists,  ethnographers,  ethnologists, historians,  and  artists whohave visited,  studied,  and  recorded  the  lifeways of  the Mandan, Hidatsa,  and Arikara  isimpressive, and  testifies  to  the wealth of  information available  for use  in development ofthe virtual LF/FB project.   Among the first explorers to encounter and record the Mandanand Hidatsa was  Pierre Gaultier  La Vérendrye  (journals  1738-43),  followed  by HenryAlexander  the Younger  (journals 1798-1814), and Meriwether Lewis and William Clark(and by  extension Thomas  Jefferson) during  their historic  explorations 1804-5); GeorgeCatlin  (artist 1830s); Maximillian, Prince zu Weid  (explorer,  scientist) and Karl Bodmer(artist) during 1830s; Rudolph Freiderich Kurz  (explorer/artist 1848-1852), Lewis HenryMorgan (anthropologist, kinship systems 1860s), J. V. Brower (ethnology and ethnographycollections 1896), George F. Will and H.J. Spinden  (excavation 1905), Gilbert L. Wilson(numerous studies 1907 until his death in 1930), Edward S. Curtis (film and photography),George Gustav Heye (Founder of the National Museum of the American Indian; ethnology1906 forward), Robert H. Lowie (numerous studies 1912- early 1920s), Frances Densmore(ethnomusicology  1923,  ethnobotany  and  ethnopharmacology  1973),  Edward Kennard(linguistics  1936),  Mary  Warren  Beckwith  (ethnography,  ceremonial  organization,mythology  1937),  Alfred  L.  Bowers  (social  and  ceremonial  organization  1950;

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 3: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

archaeological  excavation  1929-1930), G. Hubert Smith  (NPS  excavations,  1950-1954),Raymond W. Wood (excavations 1954), Sol Tax and numerous students (1948-1952), JohnCanfield  Ewers  (numerous  ethnology,  ethnography,  and  ethnohistorical  works  1930s-1990s), Edward M Bruner  (ethnography 1940s- 1950s), Douglas R. Parks  (ethnography1970s-1990s), and Stanley Ahler (1970s to present).  In some ways the story of LF/FB is amirror  of  the  study  of  Anthropology  in  America.  We  have  compiled  an  extensiveb i b l i o g r a phy   o f   manu s c r i p t s   and   pub l i c a t i o n s   on l i n e   a thttp://vcell.ndsu.nodak.edu/fishhook/

2.2. Context: The Digital Archive Network for Anthropology (DANA).The Archaeology Technologies Laboratory  (ATL)  of North Dakota State University

(NDSU)  is collaborating with  the State Historical Society of North Dakota  (SHSND),  todevelop  a  digital  database  for  the  LF/FB  collection.  This  database  differs  from  otheranthropological  databases  in  several ways. Most  notably,  it  contains  three-dimensional(3D) models of material objects  that are sufficiently precise  to allow  for a wide  range ofmeasurements  through  the  application  of  specially  created  �virtual  tools.� Along withserving as a  tool  for  information management,  the database will be used  to enhance  thedisplay of artifacts recovered from LF/FB. Furthermore, the database will ultimately be partof  a  larger,  Internet-based  network  of  interoperable  databases  forming  a  global DigitalArchive Network  for Anthropology  (DANA)  that will  link  researchers,  students, and  thegeneral public to realistic, accurate, visual representations of a variety of objects of interestto anthropologists [2]. The LF/FB database, and the larger DANA, will improve the abilityof researchers and preservationists  to generate, communicate, organize, store, and analyzematerial culture data.The project described here draws on  the digital models and associated database of  the

LF/FB collection. Artifacts from  the collection are  transported  to NDSU for scanning and3D model construction at the ATL. The database structure has been developed by ATL incollaboration with Fern Swenson, Chief Archaeologist  and Deputy Director  of HistoricPreservation for the SHSND, and her staff.The ATL  is equipped with a Minolta Vivid 700 Non-Contact Laser Digitizer, a Kodak

260 digital camera, a Dell 610 dual-processor workstation, Polyworks Modeler software,DeepPaint3D  with  the  Texture  Weapons  plug-in,  and  Photoshop  5.  This  digitizingequipment and  software allow  the  lab  to produce  full-color digital 3D  surface models ofphysical objects.The digitizing process emits a laser beam that is reflected off a mirror causing the laser

beam  to  spread out  from  a point  reflection  to  a horizontal  line  reflection. As  the mirrorrotates  the  laser beam  reflects back  from  the artifact. This process can be  referred  to as"painting" the artifact. As the reflected laser beam returns to the digitizing lens, the Vivid700 calculates  the 3D  location of each point at which  the  laser began  its return  trip  to  themachine�s data capture  lens. Once  the  laser beam  line reaches  the bottom of  its reflectingrange,  the  laser and mirror are  returned  to  their original states,  ready  to paint  the artifactagain  if necessary. Then,  the digitizing  lens  takes a digital photograph of  the artifact. The3D point data (and its associated digital photograph), are then compiled by the Vivid 700.Once  in  the Vivid  data-capturing  software,  the  completed  scan  is  turned  into  a  3D

polygonal mesh. This mesh models the contour of the surface area of the artifact and alsohas associated mapping coordinates so that the digital photograph generated by the capturelens can be viewed as if it were reflected as light from the actual physical object. After onearea of  the artifact has been digitized,  the artifact  is  rotated so  that a second area can bedigitized. The process is continued until the total of the completed scans digitally recreatesthe entire surface contour of the physical artifact.

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 4: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

2.3. Context: The NDSU World Wide Web Instructional Committee (WWWIC).WWWIC  (http://www.ndsu.edu/wwwic)  is  a multi-disciplinary  group  of NDSU

faculty engaged in developing virtual/visual worlds for science education that communicateboth  the  scientific method  and  discipline-specific  content. These worlds  are  role-based,goal-oriented,  learner-oriented,  immersive,  and  exploratory  [3].  These  worlds  employconsistent  elements  across  disciplines  and  foster  the  sharing  of  development  plans  andtools.The  goal  of  this  research  is  to  evaluate  the  use  of  active  synthetic  environments  on

student learning of scientific, problem-solving skills, such as those that would be learned ona  virtual  archeological  "dig."  The  objective  is  to  produce  a  software  product  to  bedistributed nationally. With this distribution, we hope to teach current curriculum better andto add curriculum not taught before. This project is being undertaken through collaborationbetween  the  Department  of  Computer  Science  and  the  Department  ofSociology/Anthropology at North Dakota State University, in cooperation with teachers ata  comprehensive  four-year  public  university,  Minnesota  State  University  Moorhead(MSUM),  Jamestown College,  a private  four-year  liberal  arts  college,  and Fort BertholdCommunity College, a two-year institution.

Figure 1: Archeological drawing of Hidatsa Lodge #1 floor plan, based on1950s excavation

3. The Virtual Environment.To  achieve  these  goals,  we  have  begun  to  construct  a  highly  interactive  virtual

environment  (on  two  levels:  1954  and  1854)  that  provides  "live"  simulations  forexploration  and  discovery  that will  engage  learners while  treating  them  to  a  plausiblesynthetic experience. Within this context, the student makes decisions similar to those of anarchaeologist, using simulated tools and the techniques of archaeology in conjunction withactual data  from  a  real  excavation. We have  implemented  similar  systems  to  teach  in  a"learn  by  doing" manner  the  scientific method  and  the  strategies  of  deductive  problemsolving, along with fundamentals of geology [4] and biology [5].The 1954 level is being constructed using an engineering drawing tool (AutoCAD 2000;

See Figure 1), to precisely replicate the site according the archeological record. This givesus a "to  the  inch" model of  the  location of structural features; wooden posts, underground

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 5: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

caches, etc. The 1854 level is being constructed by loading these AutoCAD models into anarchitectural modeling program (we are currently using Form-Z; See Figures 2 and 4), andthen  "extruding"  the  architectural  features  to give  a  faithful-as-possible  rendering of  thevillage as it is likely to have looked. We have accomplished one such extrusion of HidatsaLodge  #1,  and we  are  in  the  process  of  creating more  (see  http://  atl.ndsu.edu/  props/fishhook/ slide.htm  for  a  2D  view  of  this  preliminary work). We  propose  eventually  tocapture  the entire 40-acre  site  in  this manner, using  the archeological and  topographicaldata as recorded in 1954. This includes the village site, the fort, an associated cemetery, andthe  flood  plain where  crops were  grown. This  "mirroring"  of  time  levels  is  needed  tosupport the "time travel" that we propose.To maximize  the authenticity of  the 1800s site, we employ detailed  renderings of  the

structural  and  non-structural  features  of  the  site.  For  this  detail we  are  using  a  varietymaterials:  excavation  notes  and maps;  photographs,  paintings,  and  drawings  (e.g.,  byBodmer, Catlin, de Trobriand) depicting the village or other earth lodge and/or forts in theMiddle Missouri  from  the mid  and  late  19th  century;  photos  and  plans  of  earth  lodgesalready  reconstructed  by  the  State  Historical  Society  at  other  sites;  and  numerouspublications.

Figure. 2: A JPEG image of a Form-Z model extruded from an AutoCadrepresentation of the floor plan in Figure 1. Note the support beams

are irregularly spaced and doubled up in some places.

In  addition  to  the  landscape  and  structural  recreation,  we  envision  one  furtherinnovation: archaeological artifacts in context. In other words, we have begun to create 3Drenderings of artifacts from the site and to "salt" the environment with them. Students willnot only explore  two  faithful  reproductions of an archeological site,  they will "discover"faithful  reproductions  of  artifacts  authentic  to  the  site,  and  in  the  locations  they wereunearthed. For some examples of these 3D artifact models, including a bell with sound, seehttp://atl.ndsu.edu/props/  fishhook/main.htm, and Figure 3 below.  It  is on  this  foundationthat we are building a system to teach students how to think and act like archaeologists: by"doing" archaeology in an accurately and faithfully re-produced virtual context.To  accomplish  this, we  have  secured  access  to  the  original materials  (documents,

photos, artifacts, etc.) stored at the North Dakota State Society Historical Museum, and wehave begun to create 3D digital models of selected artifacts. These artifacts are also beingadded  to  the DANA database  (described above). Further, we have already developed  thefirst version of a VRML "salting"  tool (one could  think of  this as a sort of "level editor")

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 6: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

that allows us precisely  to place small VRML objects  into  the context of a  larger VRMLview.Lastly, during the 2001-2002 academic year, we plan to embark on a small experimental

detour by making the virtual environment available to the faculty and students of the newNDSU Writer�s Program as a platform for developing authentic historical fiction. In brief,student writers will be invited to explore the simulation and asked to write short �fictions�about the site or artifacts they find. These fictions will be revised and edited, first under thedirection  of  English  department  faculty  and  later  according  to  critiques  from  ouranthropology and history consultants.  If, after all  this,  these  fictions are  judged  to be ofsufficient  quality  and  authenticity,  they will  be  included  in  the  simulation  as  �fictionpoints� that archaeology students can click on and experience as part of their explorations.We are hopeful  these will serve  to �enliven�  the simulation  in pedagogically sound ways.However, we will proceed cautiously at first, and will keep the fiction points �hidden� fromarchaeology student eyes until we have solid data supporting their value.

4. Implementation Detail.The Archaeology Explorer  is designed on  the client-server model with client software

implemented primarily in Java and server processes hosted on LambdaMOO [6]. This is theusual  technique  for WWWIC  projects  and  one  with  which  we  have  a  great  deal  ofexperience. The client software will be delivered over  the Internet using standard browsersoftware.The Archaeology Explorer will most closely  resemble  the Virtual Cell  [5], which  is a

educational simulation for Biology education using the Virtual Reality Modeling Language(VRML)  to render  the  interior of a cell and allowing students  to study cellular organellesand processes first hand. The NDSU Digital Archive Network for Anthropology (DANA)is another project we draw on heavily, both  for code and content. As with all WWWICprojects, this one leverages software and design experience from previous efforts. This is aconscious decision on our part, and allows us to re-use software and build on earlier work.

4.1. Client Detail.The client applet  is a wrapper  for  three main components: 1) a  telnet application  for

connecting  to  the Archaeology Explorer MOO  server; 2)  Java3D  libraries  for  supportingthe VRML rendering and navigation control; and 3) additional code and data for interfaces,interactivity, and so on. The student will have access  to a set of virtual  tools, such as  thevirtual calipers we have developed  for  the DANA project,  for  taking a variety of objectmeasurements.  They will  store  their measurements  and  record  other  observations  in  apassword-protected  "personal  logbook"  that will  persist  between  sessions.  The NDSUVirtual Cell has proven to be successful and well accepted in user testing over the last twoyears [7], and we only plan modify the model as our user group demands.

Figure 3: 3D artifact models from Fort Berthold (pipe, bottle, bell).

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 7: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

The principal innovation necessary for the client side interaction is the development ofan  �utterance  constructor�  to  allow  students  to make  statements  in  their  logbooks  abouttheir findings. These statements need to be coherent and interpretable by the system so theycan be automatically evaluated  for accuracy. We have developed a prototype of such aninterface, which is mainly a set of sequential menus of word choices allowing the student toselect vocabulary from  lists and compose sentences from  them. This has  the advantage ofrequiring the student to generate their statements rather than selecting from predeterminedchoices, while being  tractable  to  implement  (note also  that a  large number of choices areavailable  to a student at any point, as  they choose from a sequence of  lists of nouns,  thenverbs,  the prepositions and so forth;  the "space" of possible statements can be quite  large,which is good, and not limiting). Similar interfaces have been implemented elsewhere (e.g.[8]), although ours will differ somewhat in being contextual and server-loaded.

4.2. Server Detail.The Virtual Archaeology server  is built on a LambdaMOO core, as with all WWWIC

projects. The server database hosts the simulation environment, manages student logins andhistory  records,  synchronizes  the  interactions  between multiple  simultaneous  users,  andeffectively stores everything necessary for maintaining a consistent and coherent immersiveexperience. In particular, the server maintains the different time levels of the archeologicalsite,  stores  the  descriptions  and  orientations  of  the  geography  and  structures,  and  thelocations of  the embedded artifacts we will �salt�  throughout  the environment. Thus,  theserver will contain the information necessary for the client to know which VRML elementsto  load  for  a  player�s  current  state  and  what  information  a  student  is  requesting  orrecording.

5. Agents in Virtual WorldsWWWIC systems focus on developing and employing intelligent agents to help provide

effective  learning  experiences. From  the  perspective  of  intelligent  tutoring  systems,  theagents of interest must fundamentally support models of the knowledge of a domain expertand  an  instructor. However,  it  is  desirable  that  the  agents  have  a  number  of  additionalcapabilities as well.A common problem with simulations is that, like the real world, students can foul things

up and not know why. Unlike the real world, though, all the information for the simulationis readily available, and can be used to generate explanations or warnings. Tutoring agentsare based on the design and information in the model, and are triggered by user actions.Here  the  "utterance constructor" plays a critical  role. Students will use  this device  to

express their conclusions and their findings. Happily, the utterance constructor insures thatall these statements are well formed. The challenge is to develop the server-side knowledgestructures necessary  to  interpret  them. This mechanism will  take  the  form of  string  andconcept matching, and will allow  the system  to determine which statements are accurate,which are close  to correct, and which are  flat wrong. We have experience with a similarmechanism in the Geology Explorer [4].The  idea  is  that  intelligent  tutoring agents are  looking over your shoulder as you play.

They should be there when you need them, but when you know what you're doing (or whenyou think you know), you can ignore the agent. These tutors work from knowledge of thearchaeological site, knowledge of the "experiments" needed to confirm or deny an assertionor interpretation, and the student's history; all of which is encoded or recorded and availableto the tutoring agents.

6. The Educational GameIt is 1954 and a Native American site is about to be inundated by floodwaters caused by

the  construction  of  a  hydroelectric  dam.  This  site  is  a  potential  source  of  invaluable

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 8: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

anthropological  and  archeological  knowledge,  and  so  an  emergency  team  has  beendispatched  to  conduct  a  high  intensity,  high-speed  (3  year!)  excavation. Work  hasproceeded at a furious pace, and much of the site has been excavated. However, while theexcavation has largely been completed, the documentation and interpretation of the site haslagged far behind. An emergency message is posted nation-wide, "Report to Fort Berthold,and help us save the site. History depends on it".

Figure 4: Form-Z model of Hidatsa Lodge #1 showing excavation boundariesvisible in Figure 1 and Figure 2.

Students  journey  to Fort Berthold  from  far  and wide. When  they  get  there,  they  aregreeted by a robotic presence, a software guide, who greets  them and says "Go north andwest from here until you find the XU5 excavation site, which is one of the remarkable earthand timber lodges in the Mandan/Hidatsa section of the site. It is clearly marked, but you'vebeen given a map  to help you  find  it,  just  in case. Once you are  there,  try  to determinewhere  the  entrance was.  This  should  be  fairly  easy �  look  for  a well-defined  set  ofpuncheons" (students check a glossary for definitions).Note:  instructions  from  the guide  are  chosen  semi-randomly  so  that  students  at  each

level get slightly different goals, but of equal  rigor; also note: at  this point  the student  isexploring the modern-day site, which is somewhat barren looking to the unpracticed eye.The guide continues by pointing out what sources of help and information are available

in  the  system,  and describes  the virtual  tools  and  instruments  the  students have  at  theirdisposal, including a �time arcing device� allowing them to visit the site as it was 100 yearsearlier. In addition  to  locating  the feature or artifact  they�ve been assigned,  the student  isasked  to  describe  and  interpret  what  they  have  found  (in  this  example,  to  give  anexplanation  for  why  the  puncheons  are  angled  towards  the  southeast).  Students  areinstructed on how to use their �utterance constructor� to form sentences from lists of word-choices and phrases;  these  score points  for  the  student and are  stored  in  their electronic

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 9: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

logbook, which  is  the portfolio  they accumulate as  they progress  through  the simulation.Students are also advised that software tutors will visit them if they are stuck or need helpproviding their answers.

Once  the students complete  their first goal  they are  immediately assigned another one(this is a hallmark of WWWIC systems, students always have a goal assigned), in this caseto go back to the XU5 excavation site where they are to locate a likely cache pit, then usethe digital calipers to record the precise measurements of this cache in their logbook. Theymust  also make  a  list  of  the  contents  of  the  cache. Following  that,  students  are  told  tochoose  one  of  the  items  in  the  cache  and write  an  explanation  of  its  use  in  the NativeAmerican culture. They can then travel back in time to check their interpretation against thevirtual site. In some instances students will also be provided with interpretations of similarfeatures or  artifacts published by  an  eccentric  archaeologist many years previously. Thestudents will asked to assess the validity of those interpretations against their interpretationof the archaeological data, as well as their observations back in time. The interpretive goalswill increase in complexity as the game progresses, eventually leading to interpretations ofmore abstract socio-cultural phenomena (e.g., region).So the experience goes on. Students will be able to visualize artifacts in context using a

3D  viewer  built  into  our  client  software,  inspect  them  from  all  angles,  and  use  digitalcalipers  to  take measurements,  and  then  use  an  utterance  constructor  to  record  theirfindings;  from  two  different  time  frames.  In  addition,  students will  have  access  to  theDANA digital archive for networked anthropology, from which they will be able to searchand retrieve similar artifacts, along with  their provenience data,  in order  to compare  themwith their object of study.Please note  the  following  features of  the preceding  scenario:  the  student  is given  an

active  role  in  the  environment  and  a  sequence  of  goals  requiring  they  engage  inarchaeological reasoning, and also places  them  in an  immersive context  that we can showpromotes role-based learning [9].

7. Conclusion: Integrating Digital Libraries with EducationThis project differs  significantly  from previous  efforts  in  that we will be  creating  an

immersive, 3D virtual-reality environment of an actual site, significant in American history.That site is the Like-a-Fishhook Village, also known as Fort Berthold. This is a dual-levelenvironment  representing  the  identical  place  at  different  times. One  level will  be  circa1954,  at  the  time when  the  site was  being  excavated.  For  pedagogic  convenience,  allexcavation, which actually  took place over a  three-year period, will be condensed  into asingle  season  of work. The  second  level will  be  the  virtual  recreation  of  the  site  (as  itexisted) a century earlier (ca. 1854). Student users will be able to do what probably everyarchaeologist has dreamed of:  to travel back in time and see how artifacts were really used,what soil  features  really  represent, what activities  really  took place at some  location, andmuch more. Through the use of authentic immersive environments, students can jump backand forth  through  time, from excavation evidence and  lab analysis  to  the past where  theycan  check  their  conclusions.  They will  be  able  to  interact with  these  objects  in  theircultural--albeit virtual--context.While we  fully  intend  to  teach archaeological methods,  the Virtual Archaeologist will

teach  scientific  methods  and  critical  thinking  in  a  way  that  is  much  more  broadlyapplicable.  In  other words,  this  learning  experience  is  designed  to  go  beyond  teachingdomain-specific content. At the same time, we decided to base the immersive environmenton  an  actual  site  rather  than  invent  a  site.  First,  and  foremost, we  strive  to make  theimmersive  experience  as  authentic  as  possible. Experience  shows  that  students  find  theassignment more enjoyable, or  fulfilling, when  they know  they are working on an actualsite and with actual data. Thus, while it would be easier in many respects simply to create a

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE

Page 10: Teaching with Immersive Virtual Archaeologyweb.stanford.edu/dept/SUSE/projects/ireport/articles/3D/00969679.pdf · We describe an immersive 3D virtual reality environment for Archaeology

site, unfettered by  the constraints of  reality  that would, we believe, be  less  satisfying  tostudents.Second,  even  though we  are  designing  the  game  explicitly  to  teach  students  how  to

�think like an archaeologist,� there are other domains of learning that will be incorporatedthrough  the  use  of  an  actual  place  and  time. Virtual Archaeologist will  also  provide  alearning  environment  for  cultural  anthropology,  as  students  come  to  understand,  forexample, how a tobacco pipe or house altar fit into, and informs us about, the belief systemof a group of people. We are also creating an environment in which students will virtuallyexperience  a  significant  period  of  American  history.  Along  with  archaeology,anthropology,  and  history,  students will  be  exposed  to  information  and  techniques  inethnohistory, Native American  Studies,  and  culture  change. We  further  seek  to  teachstudents not just about the process of archaeology, but also about Native American studies.

References1.  Smith, G. Hubert.  1972. Like-A-Fishhook Village and Fort Berthold, Garrison Reservoir North Dakota.

Anthropological Papers 2. National Park Service. US  Department of the Interior. Washington, D.C.2. Clark, J. T., A. Bergstrom, J. Landrum III, F. Larson, and B. Slator (in press). Digital Archiving Network for

Anthropology,  in Proceedings of  the Virtual Archaeology Between Scientific Research  and TerritorialMarketing Conference, Arezzo, Italy, November, 2000. Edited by F. Niccolucci. BAR International Series:Oxford.

3. Slator, Brian M., Paul Juell, Phillip E. McClean, Bernhardt Saini-Eidukat, Donald P. Schwert, Alan R. White,Curt  Hill    1999.  �Virtual  Environments  for  Education.�    In    Journal  of  Network  and  ComputerApplications, 22(4), pp. 161-174.

4. Schwert, D.P., B.M. Slator, B. Saini-Eidukat,   1999.    �A Virtual World For Earth Science Education  InSecondary And Post-Secondary Environments: The Geology Explorer.�    International Conference  onMathematics/Science Education &Technology, March 1-4, San  Antonio, TX, pp. 519-525.

5. White, Alan R.,   Phillip E. McClean, and Brian M. Slator 1999. �The Virtual Cell: An Interactive, VirtualEnvironment  for  Cell  Biology.�  In  World  Conference  on  Educational  Media,  Hypermedia  andTelecommunications (ED-MEDIA 99), June 19-24, Seattle, WA, pp. 1444-1445.

6. Curtis, Pavel 1998. Not Just a Game. High Wired: on  the Design, Use, and Theory of Educational MOOs.University of Michigan Press.

7. McClean, Phillip, Bernie Saini-Eidukat, Donald Schwert, Brian Slator, Alan White  2001.  Virtual Worlds inLarge Enrollment Biology and Geology Classes Significantly  Improve Authentic Learning.  In SelectedPapers  from  the 12th  International Conference on College Teaching and Learning  (ICCTL-01), Jack A.Chambers, Editor). Jacksonville, FL: Center for the Advancement of Teaching and Learning. April 17-21,pp. 111-118.

8. Kass, A., R. Burke, E. Blevis, M. Williamson  1994. �The GuSS Project: Integrating Interaction and PracticeThrough Guided Simulation. Institute for the Learning Sciences, Technical Report #94-34.� NorthwesternUniversity: Evanston, IL.

9. Brown, John Seely, A. Collins, and P. Duguid. 1989. �Situated Cognition and the Culture of Learning.� InEducational Researcher, 18(1), pp. 32-42.

AcknowledgementsThe NDSU World-wide Web  Instructional  Committee  (WWWIC)  research  is  currently  supported  by

funding from the National Science Foundation under grants DUE-9981094 and EIA-0086142, and from the USDepartment of Education under grant P116B000734.

The NDSU Archaeology Technologies Laboratory research is currently supported by fundingfrom the Northwest Academic Computer Consortium under the grant heading of Technology Dissemination,and the NDSU Grants-in-Aid Program grant #1126.

Proceedings of the Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM’01) 0-7695-1402-2/01 $17.00 © 2001 IEEE