Penelitian ini bertujuan untuk: 1) Menghasilkan model pembelajaran GISTEM yang valid untuk meningkatkan pemahaman konsep dan kemampuan berargumentasi, 2) Menguji efektivitas model pembelajaran GISTEM untuk meningkatkan pemahaman konsep dan kemampuan berargumentasi, dan 3) Menguji kepraktisan model pembelajaran GISTEM untuk meningkatkan pemahaman konsep dan kemampuan berargumentasi. Penelitian dan pengembangan model pembelajaran GISTEM mengikuti prosedur pengembangan Dick, Carey, & Carey (2015). Uji coba model pembelajaran GISTEM tahap I dilakukan di Program Studi Tadris Fisika IAIN Palangka Raya semester II (N= 16 mahasiswa) dan uji coba tahap II di semester IV (N=14 mahasiswa). Kelas kontrol menggunakan model pembelajaran Guided Inquiry Design (GID) di kelas A Program Studi Tadris Fisika UIN Mataram semester VI (N=14 mahasiswa) dan model pembelajaran Process-Oriented Guided Inquiry Activities (POGIA) di kelas B (N = 14 mahasiswa). Data validitas dan keperaktisan model pembelajaran GISTEM dikumpulkan menggunakan angket. Data pemahaman konsep dikumpulkan menggunkan tes pilihan ganda dan kemampuan berargumentasi dikumpulkan menggunakan tes esai. Kevalidan model pembelajaran GISTEM dianalisis menggunakan metode Delphi. Efektivitas model dianalisis menggunakan uji MANOVA satu jalur berbantukan Program SPSS. Kepraktisan model dianalisis secara kualitatif deskriptif. Hasil penelitian meliputi: 1) Model pembelajaran GISTEM memiliki sintak, sistem sosial, prinsip reaksi, dan sistem pendukungnya kompatibel dengan pendekatan STEM yang valid untuk mencapai tujuan pembelajaran sehingga layak untuk diimplementasikan dalam pembelajaran; 2) Model pembelajaran GISTEM lebih efektif dari pada model pembelajaran GID dan model pembelajaran POGIA untuk meningkatkan pemahaman konsep dan kemampuan berargumentasi; 3) Model pembelajaran GISTEM praktis diterapkan dalam pembelajaran untuk meningkatkan pemahaman konsep dan kemampuan berargumentasi.