A implementação da Problem Based Learning (PBL) nos currículos dos cursos de Química, especialmente na vertente de Aprendizagem Baseada em Casos Investigativos (ABCI), tem sido amplamente recomendada por pesquisadores da área de ensino de Química. Isso se deve à crença de que essa abordagem pode promover tanto o desenvolvimento do conhecimento científico quanto o aprimoramento das habilidades e competências científicas dos estudantes. Nesse contexto, partindo da hipótese de que aulas fundamentadas na ABCI favorecem a construção do conhecimento científico e a argumentação entre estudantes de Química no ensino superior, investigamos um processo de resolução de um caso investigativo (CI), elaborado e aplicado em uma disciplina de Química Instrumental no ensino superior. Os dados foram gerados por meio da construção de diagramas heurísticos pelos graduandos, com base na resolução do caso, e foram analisados utilizando a metodologia dos Programas de Investigação Científica (PIC) de Lakatos, juntamente com a Estrutura de Argumento de Toulmin. A análise dos diagramas permitiu identificar aspectos conceituais e metodológicos adequados à resolução do caso investigativo, além dos componentes constituintes do PIC, o que indicou indícios de construção de conceitos pelos graduandos. Os resultados da análise também revelaram que a resolução do caso investigativo foi orientada por heurísticas positivas, sustentadas por hipóteses auxiliares que protegiam o núcleo central de inferências sobre a solução do caso. Além disso, foram observadas heurísticas negativas nas soluções, sugerindo que o conhecimento foi construído a partir da confrontação de informações. Tais elementos, que fazem parte dos PIC, estão diretamente relacionados aos dados, justificativas, backings e conclusões explicitamente identificados nos diagramas. Os resultados sugerem que a resolução do caso investigativo, associada à construção do diagrama heurístico, contribuiu significativamente para a construção do conhecimento científico e para o desenvolvimento da argumentação. Além disso, ao correlacionar os elementos dos PIC com os componentes dos argumentos, podemos inferir que o processo de construção do conhecimento, que envolveu a mobilização e aplicação de conceitos, teve um impacto positivo na formação de argumentos pelos estudantes.