Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model POE (Predict Observe Explain) terhadap: 1) kemampuan berpikir kritis, 2) keaktifan belajar, 3) kemampuan berpikir kritis dan keaktifan belajar, 4) sejauh mana pengaruh model pembelajaran POE (Predict Observe Explain) terhadap masing-masing aspek kemampuan berpikir kritis, 5) sejauh mana pengaruh model pembelajaran POE (Predict Observe Explain) terhadap masing-masing aspek keaktifan belajar, dan 6) efektivitas model pembelajaran POE (Predict Observe Explain) terhadap kemampuan berpikir kritis siswa.

Metode yang digunakan adalah Quasi Experiment dengan desain Pretest-Posttest Nonequivalent Control Group Design. Populasinya yaitu siswa kelas X sebanyak 252 siswa. Sampel yang digunakan adalah siswa kelas X MIPA 1 dan kelas X MIPA 2. Teknik sampling yang digunakan yaitu purposive sampling. Pengambilan data berpikir kritis menggunakan tes dan keaktifan belajar dengan angket. Teknik analisis data menggunakan uji manova untuk mengetahui pengaruh, uji regresi untuk mengetahui sejauh mana pengaruh model terhadap masing-masing aspek kemampuan berpikir kritis dan keaktifan belajar, serta uji N-Gain untuk mengetahui efektivitas model POE terhadap kemampuan berpikir kritis siswa.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa uji manova H1= 0.009, H2= 0.000, H3= 0.000. Uji regresi H4 diperoleh aspek basic support (24.41%), strategies and tactics (23.86%), inference (22.59%), advance clarification (16.89%), dan elementary clarification (12.15%). Uji regresi H5 diperoleh aspek visual activities (25.84%), oral activities (22.43%), motor activities (16.56%), writing activities (11.72%), emotional activities (9.17%), mental activities (8.84%), dan listening activities (5.52%). Hasil uji N-Gain diperoleh nilai 0.451 (kategori sedang). Berdasarkan hasil penelitian disimpulkan bahwa ada pengaruh model POE terhadap: 1) kemampuan berpikir kritis, 2) keaktifan belajar, 3) kemampuan berpikir kritis dan keaktifan belajar, 4) aspek-aspek kemampuan berpikir kritis mulai dari tertinggi ke terendah yaitu aspek basic support, strategies and tactics, inference, advance clarification, dan elementary clarification, 5) aspek-aspek keaktifan belajar mulai dari tertinggi ke terendah yaitu aspek visual activities, oral activities, motor activities, writing activities, emotional activities, mental activities, dan listening activities, 6) model POE cukup efektif (kategori sedang) untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis siswa.