Tujuan penelitian ini adalah menguji efektifitas model pembelajaran berbasis fenomena (PBF) dalam meningkatkan pemahaman konsep dan keterampilan berpikir kritis siswa pada materi energy panas dan bunyi. Sampel penilitian terdiri 40 siswa kelas IV sekolah dasar. Penilitian ini merupakan kuasai eksperimen menggunakan desain pretes posteskontrol group. Sampel terdistribusi dalam dua kelas belajar. Salah satu kelas dipilih secara acak diberikan pembelajaran berbasis phenomena, sedangkan satu kelas lainnya mendapatkan pembelajaran langsung. Hasil analisis deskripsi menunjukkan bahwa nilai rata-rata pemahaman konsep siswa materi energy panas dan bunyi dari hasil postes, dan perhitungan N-gain secara berturut-turut adalah 77,3 dan 0,6 pada model PBF, dan 46,7; 74,7 dan 0,54 untuk pembelajaran langsung (PL), sedangkan nilai rata-rata keterampilan berpikir kritis (KBK) hasil postes, dan perhitungan N-gain secara berturut-turut adalah 69,7 dan 0,54 untuk model PBF, serta 60,5 dan 0,40 untuk PL. hasil uji perbandingan nilai rata-rata N-gain PK menunjukkan bahwa performans siswa kelas PBF tidak berbeda secara signifikan dengan kelompok siswa pada PL. akan tetapi, pada data N-gain KBK menunjukkan ada perbedaan yang signifikan antara kedua kelas pembelajaran. Hasil penelitian ini mengidentifikasikan bahwa penerapan model PBF dalam pembelajaran IPA di SD pada materi energy panas dan bunyi tidak efektif dan PL dalam meningkatkan pemahaman konsep, tetapi efektif dalam mengembangkan keterampilan berpikir kritis siswa. Performans siswa pada kelas PBF lebih unggul dari kelas PL pada keterampilan memberikan penjelasan sederhana.