Teaching with immersive virtual archaeology - Stanford University

5 downloads 2413 Views 2MB Size Report
(MSUM), Jamestown College, a private four-year liberal arts college, and Fort Berthold. Community ..... Jacksonville, FL: Center for the Advancement of Teaching and Learning. ... Institute for the Learning Sciences, Technical Report #94-34.
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, fieldbased  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 bird’seye  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

lodges,  a  white  trading  company  (the  American  Fur  Company),  established  a  post  at  the site, 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 Berthold II), 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  the village, 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, and mixed bloods), “was a base for Federal military units campaigning in the Dakota Territory against fugitive remnants” of Native American tribes in the region [1:17]. In the late 1880s the  village  was  abandoned,  as  native  residents  were  forced  to  leave  the  site  and  take  up occupation 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 with the National Park Service (NPS) and by the River Basin Surveys of the Smithsonian. Rising waters  from  the  Garrison  Dam  and  Reservoir  project  ultimately  inundated  the  site,  which now 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 the preface 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  the important  historic  sites  of  the  upper  Missouri  Valley.  …  The  abandonment  of  Like-aFishhook  Village  marked  the  close  of  a  decisive  era  of  Indian  history  in  the  Northern Plains” [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 similar but  distinctive  Native  American  heritage  closed  ranks  and  banded  together,  setting  aside their differences in response to increasing pressures brought upon them by contact with the white 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 roll call  of  explorers,  archaeologists,  ethnographers,  ethnologists,  historians,  and  artists  who have  visited,  studied,  and  recorded  the  lifeways  of  the  Mandan,  Hidatsa,  and  Arikara  is impressive,  and  testifies  to  the  wealth  of  information  available  for  use  in  development  of the virtual LF/FB project.  Among the first explorers to encounter and record the Mandan and  Hidatsa  was  Pierre  Gaultier  La  Vérendrye  (journals  1738-43),  followed  by  Henry Alexander  the  Younger  (journals  1798-1814),  and  Meriwether  Lewis  and  William  Clark (and  by  extension  Thomas  Jefferson)  during  their  historic  explorations  1804-5);  George Catlin  (artist  1830s);  Maximillian,  Prince  zu  Weid  (explorer,  scientist)  and  Karl  Bodmer (artist)  during  1830s;  Rudolph  Freiderich  Kurz  (explorer/artist  1848-1852),  Lewis  Henry Morgan (anthropologist, kinship systems 1860s), J. V. Brower (ethnology and ethnography collections  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; ethnology 1906 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

archaeological  excavation  1929-1930),  G.  Hubert  Smith  (NPS  excavations,  1950-1954), Raymond W. Wood (excavations 1954), Sol Tax and numerous students (1948-1952), John Canfield  Ewers  (numerous  ethnology,  ethnography,  and  ethnohistorical  works  1930s1990s),  Edward  M  Bruner  (ethnography  1940s-  1950s),  Douglas  R.  Parks  (ethnography 1970s-1990s), and Stanley Ahler (1970s to present).  In some ways the story of LF/FB is a mirror  of  the  study  of  Anthropology  in  America.  We  have  compiled  an  extensive bibliography  of  manuscripts  and  publications  online  at http://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),  to develop  a  digital  database  for  the  LF/FB  collection.  This  database  differs  from  other anthropological  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  of measurements  through  the  application  of  specially  created  “virtual  tools.”  Along  with serving  as  a  tool  for  information  management,  the  database  will  be  used  to  enhance  the display of artifacts recovered from LF/FB. Furthermore, the database will ultimately be part of  a  larger,  Internet-based  network  of  interoperable  databases  forming  a  global  Digital Archive  Network  for  Anthropology  (DANA)  that  will  link  researchers,  students,  and  the general public to realistic, accurate, visual representations of a variety of objects of interest to anthropologists [2]. The LF/FB database, and the larger DANA, will improve the ability of researchers and preservationists to generate, communicate, organize, store, and analyze material 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 and 3D model construction at the ATL. The database structure has been developed by ATL in collaboration  with  Fern  Swenson,  Chief  Archaeologist  and  Deputy  Director  of  Historic Preservation 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  digitizing equipment  and  software  allow  the  lab  to  produce  full-color  digital  3D  surface  models  of physical 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  mirror rotates  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 Vivid 700 calculates the 3D location of each point at which the laser began its return trip to the machine’s data capture lens. Once the laser beam line reaches the bottom of its reflecting range,  the  laser  and  mirror  are  returned  to  their  original  states,  ready  to  paint  the  artifact again if necessary. Then, the digitizing lens takes a digital photograph of the artifact. The 3D 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 also has associated mapping coordinates so that the digital photograph generated by the capture lens can be viewed as if it were reflected as light from the actual physical object. After one area  of  the  artifact  has  been  digitized,  the  artifact  is  rotated  so  that  a  second  area  can  be digitized. The process is continued until the total of the completed scans digitally recreates the 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

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 communicate both  the  scientific  method  and  discipline-specific  content.  These  worlds  are  role-based, goal-oriented,  learner-oriented,  immersive,  and  exploratory  [3].  These  worlds  employ consistent  elements  across  disciplines  and  foster  the  sharing  of  development  plans  and tools. 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 on a  virtual  archeological  "dig."  The  objective  is  to  produce  a  software  product  to  be distributed nationally. With this distribution, we hope to teach current curriculum better and to add curriculum not taught before. This project is being undertaken through collaboration between  the  Department  of  Computer  Science  and  the  Department  of Sociology/Anthropology at North Dakota State University, in cooperation with teachers at a  comprehensive  four-year  public  university,  Minnesota  State  University  Moorhead (MSUM),  Jamestown  College,  a  private  four-year  liberal  arts  college,  and  Fort  Berthold Community College, a two-year institution.

Figure 1: Archeological drawing of Hidatsa Lodge #1 floor plan, based on 1950s 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  for exploration  and  discovery  that  will  engage  learners  while  treating  them  to  a  plausible synthetic experience. Within this context, the student makes decisions similar to those of an archaeologist, using simulated tools and the techniques of archaeology in conjunction with actual  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  problem solving, 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 gives us 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

caches, etc. The 1854 level is being constructed by loading these AutoCAD models into an architectural modeling program (we are currently using Form-Z; See Figures 2 and 4), and then  "extruding"  the  architectural  features  to  give  a  faithful-as-possible  rendering  of  the village as it is likely to have looked. We have accomplished one such extrusion of Hidatsa Lodge  #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  to capture  the  entire  40-acre  site  in  this  manner,  using  the  archeological  and  topographical data as recorded in 1954. This includes the village site, the fort, an associated cemetery, and the  flood  plain  where  crops  were  grown.  This  "mirroring"  of  time  levels  is  needed  to support 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  variety materials:  excavation  notes  and  maps;  photographs,  paintings,  and  drawings  (e.g.,  by Bodmer, Catlin, de Trobriand) depicting the village or other earth lodge and/or forts in the Middle  Missouri  from  the  mid  and  late  19th  century;  photos  and  plans  of  earth  lodges already  reconstructed  by  the  State  Historical  Society  at  other  sites;  and  numerous publications.

Figure. 2: A JPEG image of a Form-Z model extruded from an AutoCad representation 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  further innovation: archaeological artifacts in context. In other words, we have begun to create 3D renderings of artifacts from the site and to "salt" the environment with them. Students will not  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  were unearthed. For some examples of these 3D artifact models, including a bell with sound, see http://atl.ndsu.edu/props/  fishhook/main.htm,  and  Figure  3  below.  It  is  on  this  foundation that 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 we have begun to create 3D digital models of selected artifacts. These artifacts are also being added  to  the  DANA  database  (described  above).  Further,  we  have  already  developed  the first 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

that  allows  us  precisely  to  place  small  VRML  objects  into  the  context  of  a  larger  VRML view. 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 new NDSU 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 the direction  of  English  department  faculty  and  later  according  to  critiques  from  our anthropology  and  history  consultants.  If,  after  all  this,  these  fictions  are  judged  to  be  of sufficient  quality  and  authenticity,  they  will  be  included  in  the  simulation  as  “fiction points” 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” from archaeology 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 the usual  technique  for  WWWIC  projects  and  one  with  which  we  have  a  great  deal  of experience. The client software will be delivered over the Internet using standard browser software. 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 organelles and 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  WWWIC projects, this one leverages software and design experience from previous efforts. This is a conscious 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  supporting the 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 the virtual  calipers  we  have  developed  for  the  DANA  project,  for  taking  a  variety  of  object measurements.  They  will  store  their  measurements  and  record  other  observations  in  a password-protected  "personal  logbook"  that  will  persist  between  sessions.  The  NDSU Virtual Cell has proven to be successful and well accepted in user testing over the last two years [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

The principal innovation necessary for the client side interaction is the development of an  “utterance  constructor”  to  allow  students  to  make  statements  in  their  logbooks  about their findings. These statements need to be coherent and interpretable by the system so they can be automatically  evaluated  for  accuracy.  We  have  developed  a  prototype  of  such  an interface, which is mainly a set of sequential menus of word choices allowing the student to select vocabulary from lists and compose sentences from them. This has the advantage of requiring the student to generate their statements rather than selecting from predetermined choices,  while  being  tractable  to  implement  (note  also  that  a  large  number  of  choices  are available to a student at any point, as they choose from a sequence of lists of nouns, then verbs, 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 and history  records,  synchronizes  the  interactions  between  multiple  simultaneous  users,  and effectively stores everything necessary for maintaining a consistent and coherent immersive experience. In particular, the server maintains the different time levels of the archeological site,  stores  the  descriptions  and  orientations  of  the  geography  and  structures,  and  the locations  of  the  embedded  artifacts  we  will  “salt”  throughout  the  environment.  Thus,  the server will contain the information necessary for the client to know which VRML elements to  load  for  a  player’s  current  state  and  what  information  a  student  is  requesting  or recording.

5. Agents in Virtual Worlds WWWIC systems focus on developing and employing intelligent agents to help provide effective  learning  experiences.  From  the  perspective  of  intelligent  tutoring  systems,  the agents of interest must fundamentally support models of the knowledge of a domain expert and  an  instructor.  However,  it  is  desirable  that  the  agents  have  a  number  of  additional capabilities 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 simulation is readily available, and can be used to generate explanations or warnings. Tutoring agents are 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 that all these statements are well formed. The challenge is to develop the server-side knowledge structures  necessary  to  interpret  them.  This  mechanism  will  take  the  form  of  string  and concept  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  similar mechanism 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 when you think you know), you can ignore the agent. These tutors work from knowledge of the archaeological site, knowledge of the "experiments" needed to confirm or deny an assertion or interpretation, and the student's history; all of which is encoded or recorded and available to the tutoring agents.

6. The Educational Game It 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

anthropological  and  archeological  knowledge,  and  so  an  emergency  team  has  been dispatched  to  conduct  a  high  intensity,  high-speed  (3  year!)  excavation.  Work  has proceeded at a furious pace, and much of the site has been excavated. However, while the excavation has largely been completed, the documentation and interpretation of the site has lagged 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 boundaries visible in Figure 1 and Figure 2. Students  journey  to  Fort  Berthold  from  far  and  wide.  When  they  get  there,  they  are greeted by a robotic presence, a software guide, who greets them and says "Go north and west from here until you find the XU5 excavation site, which is one of the remarkable earth and timber lodges in the Mandan/Hidatsa section of the site. It is clearly marked, but you've been  given  a  map  to  help  you  find  it,  just  in  case.  Once  you  are  there,  try  to  determine where  the  entrance  was.  This  should  be  fairly  easy  …  look  for  a  well-defined  set  of puncheons" (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  is exploring 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  their disposal, including a “time arcing device” allowing them to visit the site as it was 100 years earlier. In addition to locating the feature or artifact they’ve been assigned, the student is asked  to  describe  and  interpret  what  they  have  found  (in  this  example,  to  give  an explanation  for  why  the  puncheons  are  angled  towards  the  southeast).  Students  are instructed on how to use their “utterance constructor” to form sentences from lists of wordchoices  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

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 help providing 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 case to go back to the XU5 excavation site where they are to locate a likely cache pit, then use the digital calipers to record the precise measurements of this cache in their logbook. They must  also  make  a  list  of  the  contents  of  the  cache.  Following  that,  students  are  told  to choose  one  of  the  items  in  the  cache  and  write  an  explanation  of  its  use  in  the  Native American culture. They can then travel back in time to check their interpretation against the virtual site. In some instances students will also be provided with interpretations of similar features  or  artifacts  published  by  an  eccentric  archaeologist  many  years  previously.  The students will asked to assess the validity of those interpretations against their interpretation of the archaeological data, as well as their observations back in time. The interpretive goals will increase in complexity as the game progresses, eventually leading to interpretations of more 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  digital calipers  to  take  measurements,  and  then  use  an  utterance  constructor  to  record  their findings;  from  two  different  time  frames.  In  addition,  students  will  have  access  to  the DANA digital archive for networked anthropology, from which they will be able to search and retrieve similar artifacts, along with their provenience data, in order  to compare them with 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  in archaeological reasoning, and also places them in an immersive context that we can show promotes role-based learning [9].

7. Conclusion: Integrating Digital Libraries with Education This  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-level environment  representing  the  identical  place  at  different  times.  One  level  will  be  circa 1954,  at  the  time  when  the  site  was  being  excavated.  For  pedagogic  convenience,  all excavation,  which  actually  took  place  over  a  three-year  period,  will  be  condensed  into  a single  season  of  work.  The  second  level  will  be  the  virtual  recreation  of  the  site  (as  it existed) a century earlier (ca. 1854). Student users will be able to do what probably every archaeologist 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,  and much more. Through the use of authentic immersive environments, students can jump back and forth through time, from excavation evidence and lab analysis to the past where they can  check  their  conclusions.  They  will  be  able  to  interact  with  these  objects  in  their cultural--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  broadly applicable.  In  other  words,  this  learning  experience  is  designed  to  go  beyond  teaching domain-specific content. At the same time, we decided to base the immersive environment on  an  actual  site  rather  than  invent  a  site.  First,  and  foremost,  we  strive  to  make  the immersive  experience  as  authentic  as  possible.  Experience  shows  that  students  find  the assignment  more  enjoyable,  or  fulfilling,  when  they  know  they  are  working  on  an  actual site 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

site,  unfettered  by  the  constraints  of  reality  that  would,  we  believe,  be  less  satisfying  to students. 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 incorporated through  the  use  of  an  actual  place  and  time.  Virtual  Archaeologist  will  also  provide  a learning  environment  for  cultural  anthropology,  as  students  come  to  understand,  for example, how a tobacco pipe or house altar fit into, and informs us about, the belief system of a group of people. We are also creating an environment in which students will virtually experience  a  significant  period  of  American  history.  Along  with  archaeology, anthropology,  and  history,  students  will  be  exposed  to  information  and  techniques  in ethnohistory,  Native  American  Studies,  and  culture  change.  We  further  seek  to  teach students not just about the process of archaeology, but also about Native American studies. References 1.  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  Territorial Marketing 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  Computer Applications, 22(4), pp. 161-174. 4.  Schwert,  D.P.,  B.M.  Slator,  B.  Saini-Eidukat,    1999.    “A  Virtual  World  For  Earth  Science  Education  In Secondary  And  Post-Secondary  Environments:  The  Geology  Explorer.”    International  Conference  on Mathematics/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, Virtual Environment  for  Cell  Biology.”  In  World  Conference  on  Educational  Media,  Hypermedia  and Telecommunications (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 in Large  Enrollment  Biology  and  Geology  Classes  Significantly  Improve  Authentic  Learning.  In  Selected Papers  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 Practice Through Guided Simulation. Institute for the Learning Sciences, Technical Report #94-34.” Northwestern University: Evanston, IL. 9. Brown, John Seely, A. Collins, and P. Duguid. 1989. “Situated Cognition and the Culture of Learning.” In Educational Researcher, 18(1), pp. 32-42. Acknowledgements The  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 US Department of Education under grant P116B000734. The NDSU Archaeology Technologies Laboratory research is currently supported by funding from 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