[Objetivo] El objetivo es documentar el proceso de diseño, implementación y evaluación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje basada en el modelo 5E para la enseñanza de los conceptos de calor y temperatura. [Metodología] Utilizando la metodología de investigación basada en el diseño se diseñó, implemento y evaluó la aplicación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje a estudiantes con edades entre 13 y 15 años, de educación secundaria. Participaron 19 estudiantes de dos escuelas en México organizados en dos grupos, uno por cada escuela. Utilizando pretest y postest, se registraron datos cuantitativos asociadas a los conocimientos de los estudiantes y datos cualitativos, obtenidos durante las sesiones con los estudiantes, asociados al uso de los conceptos de calor y temperatura para explicar fenómenos naturales. Los datos cuantitativos fueron analizados con la prueba Shapiro-Wilk y ANOVA de dos factores, utilizando JASP con p≤0.05. Además, se realizó una triangulación con datos cualitativos para dar soporte a las conclusiones. [Resultados] Los resultados obtenidos muestran efectos positivos relacionados con los conocimientos que alcanzan los estudiantes durante la implementación. También se encuentran efectos positivos en las evidencias cualitativas donde se observa que la integración conceptual que logran los estudiantes logra explicar de forma coherente y compleja los fenómenos naturales relacionados con los conceptos de calor y temperatura. [Conclusiones] En conclusión, la secuencia de enseñanza-aprendizaje diseñada alcanza las metas de aprendizaje propuestas relacionadas con los conceptos de calor y temperatura. Se incluye un listado de principios de diseño que pretenden ser una guía para otros docentes interesados en adaptar esta experiencia a sus contextos locales.