Neste artigo, é apresentada uma visão geral sobre a pesquisa, o desenvolvimento e implementação de Sequências de Ensino e Aprendizagem (SEA) orientadas para tópicos de Ciências, além de sua validação em sala de aula. Como a literatura do tema é extensa, a escolha foi discutir fundamentos teóricos e ferramentas metodológicas para construir essas sequências e apresentar algumas propostas que foram, de fato, implementadas em salas de aula e que obtiveram bons resultados. De início, a metodologia de pesquisa chamada Aprendizagem Baseada em Design é analisada e sugerida como uma metodologia eficiente que abrange tanto o processo de design como a análise dos resultados de aprendizagem. Em relação às SEA, são discutidos os modelos Demanda de Aprendizagem, Reconstrução Educacional, modelo de “Dois-Mundos”, Engenharia Didática e as Unidades de Ensino Potencialmente Significativas. Exemplos ilustrativos da aplicação e avaliação de SEA baseadas nesses modelos em vários contextos são apresentados. O objetivo principal do artigo é contribuir para que, com o aprofundamento das questões aqui colocadas, professores possam elaborar SEA teoricamente fundamentadas e didaticamente consistentes, com implementação factível no contexto real de sala de aula.