No âmbito educacional, a Sequência de Ensino Investigativa (SEI) vem ganhando destaque no sentido de possibilitar a participação ativa do aluno, através da problematização, investigação e aplicação do conhecimento, capazes de proporcionar uma experiência educacional transformadora, a partir das relações entre o conteúdo e o contexto social dos estudantes. A SEI é dividida em etapas e inicia-se com um problema contextualizado, que pode ser experimental, teórico ou demonstrações investigativas. Assim, este trabalho apresenta a aplicação e os resultados de uma SEI para a construção do conhecimento de separação de misturas e modelos atômicos durante o Estágio Supervisionado III. Trata-se de uma pesquisa descritiva e qualitativa do tipo pesquisa-ação, desenvolvida em uma turma de 1° ano do Ensino Técnico Integrado de Nível Médio em Alimentos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) – localizada na cidade de Pau dos Ferros/RN. O procedimento consistiu em uma série de atividades propostas para introdução e aprofundamento dos conteúdos. A metodologia se deu através da incorporação às etapas da SEI, de aulas práticas no laboratório, aulas expositivas e dialogadas, investigação de questões-problemas, resolução de atividades experimentais investigativas, elaboração de desenhos, reprodução de vídeos animados, produção de mapas mentais, atividades de verificação da aprendizagem e aprofundamento, aplicação de jogo virtual e dinâmicas. Os resultados indicaram que a realização de atividades com abordagem investigativas e contextualizadas promoveram a construção do pensamento crítico e reflexivo, bem como, despertou nos alunos o interesse pela investigação de situações presentes no cotidiano, o desenvolvimento de maior protagonismo e uma aprendizagem de melhor qualidade. Além disso, também possibilitou uma melhor compreensão dos impactos de suas decisões, os instigando a assumir uma postura ativa para construir seu próprio conhecimento por meio da interação entre o pensar, sentir e fazer, característicos da alfabetização científica.