Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh model POE terhadap: 1) berpikir kritis, 2) keaktifan belajar, 3) berpikir kritis dan keaktifan belajar, 4) sejauh mana pengaruh model terhadap aspek-aspek berpikir kritis, 5) sejauh mana pengaruh model terhadap aspek-aspek keaktifan belajar, 6) efektivitas model terhadap kemampuan berpikir kritis. Jenis penelian ini quasi experiment, dengan desain Pretest-Posttest Nonequivalent Control Group Design. Sampel yaitu siswa kelas X MIPA 1 (kelompok eksperimen), dan X MIPA 2 (kelompok kontrol). Teknik pengambilan sampel yaitu purposive sampling. Data dikumpulkan menggunakan instrumen soal dan angket. Teknik analisis data menggunakan uji manova, regresi, serta N-Gain. Hasil penelitian menunjukkan ada pengaruh model POE terhadap: 1) berpikir kritis, 2) keaktifan belajar, 3) berpikir kritis dan keaktifan belajar, 4) pengaruh model terhadap aspek berpikir kritis mulai dari tinggi hingga rendah meliputi basic support, strategies and tactics, inference, advance clarification, dan elementary clarification, 5) pengaruh model terhadap aspek keaktifan belajar mulai dari tinggi hingga rendah yaitu visual activities, oral activities, motor activities, writing activities, emotional activities, mental activities, dan listening activities, 6) model POE cukup efektif untuk meningkatkan berpikir kritis siswa.