Penelitian ini bertujuan untuk : 1) Mengembangkan dan menganalisis karakteristik model Problem and Design Process Based Learning (PDP-BL), 2) Menguji kelayakan model PDP-BL  pada pembelajaran Pemanasan Global, dan 3) Menguji keefektifan model PDP-BL pada pembelajaran Pemanasan Global untuk meningkatkan literasi sains dan environmental awareness. Penelitian didasarkan dari hasil PISA diperoleh skor literasi sains peserta didik Indonesia adalah 395 (2003), 393 (2006), 383 (2009), 382 (2012), 403 (2015), 396 (2018), 393 (2020), dan 383 (2022). Data tersebut menunjukkan tren penurunan pada periode 2003–2012 dan 2015–2022. Kemudian hasil analisis profil literasi sains dan environmental awareness peserta didik berkriteria rendah. Jenis penelitian adalah Mix Methods dengan pendekatan Multiphase Design meliputi 1) penelitian kualitatif melalui systematic literature review, 2) penelitian pengembangan dengan model 4-D (Define, Design, Development dan Dissemination), dan 3) penelitian eksperimental dengan desain factorial 2x2. Populasi penelitian adalah seluruh peserta didik kelas X SMA di wilayah perkotaan, pesisir, dan pedesaan dengan teknik cluster random sampling untuk menentukan kelas eksperimen dan kontrol. Hasil penelitian menunjukkan model PDP-BL memiliki karakteristik 1) integrasi konten IPA, 2) penyajian fenomena kontekstual sesuai lokasi peserta didik (alam dan digital) yang memicu peserta didik bertanya mengenai apa, mengapa, dan bagaimana, 3) terdapat sintaks reflection secara implisit, 4) pembelajaran berkelompok, dan 5) melatihkan penulisan ilmiah. Berdasarkan validasi Ahli, uji keterbacaan, dan observasi pembelajaran dinyatakan model PDP-BL layak digunakan. Berdasarkan hasil uji N-Gain berkriteria tinggi, sehingga model PDP-BL secara efektif dapat meningkatkan kemampuan literasi sains dan environmental awareness peserta didik pada pembelajaran Pemanasan Global.