Keterampilan kolaborasi merupakan salah satu kompetensi abad ke-21 yang wajib dimiliki siswa SMK agar siap bekerja dalam tim dan mencapai target di dunia industri. Tujuan Penelitian ini yaitu 1) untuk menganalisis dan mendeskripsikan pelaksanaan model pembelajaran saat ini yang dapat meningkatkan  collaboration skills, 2) untuk menguji tingkat kevalidan serta kepraktisan desain problem-based flipped learning (PBFL) dengan pendekatan STEM yang dikembangkan untuk meningkatkan collaboration skills siswa, dan 3) untuk menguji keefektifan penerapan desain problem-based flipped learning (PBFL) dengan pendekatan STEM untuk meningkatkan  collaboration skills siswa sekolah menengah kejuruan. Rancangan penelitian yang digunakan dalam disertasi ini adalah design based research (DBR) melalui empat tahapan yaitu 1) analisis permasalahan praktis, 2) tahap pengembangan,  3) tahap pengujian: uji kepraktisan dan uji keefektifan, dan 4) tahap refleksi dan penetapan produk. Penelitian ini dilaksanakan di tiga  SMK di Kabupaten Karanganyar Tahun Pelajaran 2024/2025. Teknik pengumpulan data yang digunakan melalui kusioner, wawancara, pengamatan kelas, analisis dokumen, dan instrumen tes keterampilan kolaborasi. Teknik pemeriksaan keabsahan data dilakukan melalui triangulasi sumber data, member check, dan  peer debriefing. Teknik analisis data menggunakan analisis kualitatif dan kuantitatif. Analisis kualitatif dilakukan melalui reduksi data, penyajian, dan penarikan kesimpulan terhadap data observasi, wawancara, dan masukan ahli. Analisis kuantitatif menggunakan statistik untuk menilai kelayakan perangkat serta menguji efektifitas desain PBFL-STEM melalui perhitungan rata-rata, persentase, uji prasyarat, paired simple t-test  hasil pretest dan posttest, dan uji cohend’d. Hasil penelitian menunjukkan bahwa 1) pembelajaran matematika di SMK masih menghadapi kendala, meskipun guru telah mengaitkan materi matematika dengan konteks nyata siswa, efektifitas pembelajaran masih dipengaruhi oleh rendahnya penggunaan teknologi, dominasi guru di kelas, serta ketimpangan pemahaman antar siswa. Masalah ini diperburuk oleh dominasi siswa yang merasa pandai dalam kelompok yang menghambat kolaborasi, sehingga mengurangi kepercayaan diri siswa untuk berpartisipasi aktif dalam berdiskusi, 2) pengembangan desain PBFL-STEM untuk meningkatkan keterampilan kolaborasi telah dinyatakan valid dan praktis sehingga layak digunakan. Uji validitas konten dan konstruk oleh ahli model menunjukkan skor rerata validitas sebesar 0,920, serta validitas instrumen keterampilan kolaborasi oleh ahli instrumen menunjukkan skor rerata validitas 0,905 dan validitas oleh praktisi menunjukkan skor rerata validitas 0,863. Hasil ini membuktikan bahwa desain PBFL-STEM memiliki validitas tinggi dan praktis diimplementasikan. Kepraktisan desain  PBFL-STEM dinyatakan sangat praktis dengan rerata skor 3,6 dan persentase kepraktisan 89% berdasarkan penilaian guru dan siswa, sehingga layak digunakan dalam pembelajaran, 3) Uji keefektifan menunjukkan bahwa data terdistribusi normal dan homogen, serta hasil paired sample t-test menunjukkan  perbedaan signifikan antara skor pretest dan posttest (p < 0,05), rerata pretest dan posttest ada kenaikan, nilai effect size tinggi (Cohen’s d > 0,80) dan persentase  N-gain pada setiap implementasi di tiga sekolah berada pada rentang 56% sampai dengan 75%, sehingga cukup efektif. Hasil pengukuran menggunakan angket skala likert terbukti meningkat collaboration skills siswa secara konsisten dari tahap sebelum dan sesudah implementasi. Dengan demikian, desain PBFL-STEM efektif dan berdampak kuat dalam meningkatkan collaboration skills siswa SMK.