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O tema de modelos atômicos é importante no ensino de Química e de Ciências, entretanto, muitos estudantes apresentam dificuldades, em relação à próprio conceito de modelo científico (MELO e LIMA NETO, 2013) e quanto à estrutura dos átomos (FRANÇA, MARCONDES e CARMO, 2009). O referencial teórico empregado no trabalho é a teoria de modelos mentais de Johnson-Laird (1983). Foram desenvolvidos modelos moleculares físicos com materiais alternativos e de baixo custo para ensinar o conceito de modelo atômico e conceitos relacionados, como modelo científico, geometria molecular e ligação química. Os modelos foram utilizados em aulas regulares de Química em uma parceria com uma escola estadual de Educação Básica do município de Presidente Prudente - SP. Foi observado um grande avanço nos modelos expressos pelos alunos, para todos os conceitos abordados. Portanto, o emprego de modelos moleculares alternativos permitiu a realização de atividades didáticas nas quais houve uma evolução nos modelos mentais dos alunos sobre o conceito de modelo atômico e outros relacionados. A metodologia também permitiu que fosse realizado o levantamento dos modelos mentais dos alunos, com a manipulação do modelo físico e também por meio dos instrumentos de coleta de dados, como questionários, desenhos e representação por meio do próprio modelo físico.