Penelitian ini bertujuan untuk: (1) meningkatan kemampuan berpikir kritissiswa SMA Negeri 3 Boyolali dengan menggunakan model pembelajaranCooperative Problem Solving (CPS) yang dilengkapi dengan handout pada materipokok termokimia; (2) meningkatan prestasi belajar siswa SMA Negeri 3 Boyolalidengan menggunakan model pembelajaran Cooperative Problem Solving (CPS)yang dilengkapi handout terhadap materi pokok termokimia.Penelitian ini merupakan Penelitian Tindakan Kelas (Classroom ActionResearch) yang terdiri dari dua siklus dengan tiap siklus terdiri dari perencanaan,pelaksanaan, observasi dan refleksi. Subjek penelitian adalah siswa kelas XI IPA1 SMA N 3 Boyolali tahun pelajaran 2015/2016. Data diperoleh melaluiwawancara, observasi, tes dan angket. Teknik analisis data yang digunakan adalahanalisis deskriptif kualitatif.Hasil penelitian menunjukan bahwa penerapan pembelajaranCooperative Problem Solving (CPS) dilengkapi handout dapat meningkatkan: (1)kemampuan berpikir kritis siswa pada materi Termokimia. Hal ini dapat dilihatdari persentase siklus I 78,13%, dari hasil tersebut tidak dilakukan tindakan siklusII karena sudah mencapai target dari yang ditetapkan awal yaitu 75%. (2) prestasibelajar siswa pada aspek kognitif meningkat dari 65,63% pada siklus I menjadi78,13% pada siklus II. Persentase aspek afektif pada siklus I adalah 81,65% danuntuk aspek psikomotor pada siklus I mencapai 87,15%.Kata kunci: Cooperative Problem Solving, berpikir kritis, prestasi belajar,handout, termokimia