Integrasi konsep keberlanjutan melalui pembelajaran kontekstual berbasis praktikum pada materi laju reaksi diperlukan untuk meningkatkan keterampilan berpikir sistem dan literasi lingkungan siswa. Model pembelajaran STEM-PBL berbantuan fotometer sederhana dan SOCME dapat dijadikan solusi untuk mengatasi permasalahan tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk: (1) mengetahui perbedaan implementasi STEM-PBL berbantuan fotometer sederhana dan SOCME terhadap keterampilan berpikir sistem siswa, (2) mengetahui perbedaan implementasi STEM-PBL berbantuan fotometer sederhana dan SOCME terhadap keterampilan literasi lingkungan siswa, (3) mengetahui pengaruh implementasi STEM-PBL berbantuan fotometer sederhana dan SOCME  terhadap berpikir sistem dan literasi lingkungan siswa, dan (4) mengetahui respon siswa terhadap implementasi pembelajaran STEM-PBL berbantuan fotometer sederhana dan SOCME terkait literasi lingkungan dan berpikir sistem siswa kelas XI SMA Negeri 8 Surakarta. Penelitian ini menerapkan metode mixed method dengan model concurrent embedded. Sampel penelitian terdiri dari 33 siswa kelas eksperimen dan 31 siswa kelas kontrol yang diperoleh melalui teknik Cluster Random Sampling. Penelitian ini menggunakan teknik analisis data kuantitatif non parametrik Mann-Whitney dan PERMANOVA, sedangkan uji parametrik menggunakan Independent Samples T-Test dengan software SPSS, serta analisis Racking and Stacking menggunakan Winstep. Teknik analisis kualitatif dari wawancara dilakukan melalui software  Quirkos. Penelitian ini memperoleh hasil (1) terdapat peningkatan keterampilan berpikir sistem pada kelas eksperimen dibandingkan kelas kontrol (Independent t-test; p = 0,00 < 0,05), didukung oleh peningkatan Logit Value Person (LVP) +1,17 pada kelas eksperimen dan penurunan LVP −0,60 pada kelas kontrol; (2) terdapat peningkatan literasi lingkungan pada kelas eksperimen dibandingkan kelas kontrol (Mann–Whitney; p = 0,00 < 0,05), dengan peningkatan LVP +0,76 pada kelas eksperimen dan penurunan LVP −0,01 pada kelas kontrol; (3) secara simultan, keterampilan berpikir sistem dan literasi lingkungan juga meningkat secara signifikan (PERMANOVA; P Value = 0,001 < 0,05; R² = 0,2073), yang menunjukkan kontribusi intervensi sebesar 20,73%, didukung oleh peningkatan LVP +1,95; dan (4) siswa kelas eksperimen menunjukkan respons positif terhadap keterampilan berpikir sistem, literasi lingkungan, dan implementasi STEM-PBL berdasarkan hasil observasi, kuesioner, dan wawancara, sedangkan kelas kontrol menunjukkan respons yang lebih rendah akibat keterbatasan pengalaman dan pengetahuan keberlanjutan.