题主所问的情况应该是同一辆车，发动机转速都是3000转，分别挂3挡和6挡行驶时发动机的瞬间喷油量。这么理解的话肯定是6挡3000转行驶时油耗更高了。如果说平均油耗的话就不确定了，与车辆发动机的动力性有关，需要具体计算。
最简单的判断思路
汽车行驶中所受到的力主要有驱动力、风阻力、滚动阻力，滚动阻力在一定速度范围内变化不大，一般车速超过140公里/小时后滚动阻力随着车速的增长会有比较明显的增加。而风阻力与车速的平方成正比，风阻是随车速增加最明显的阻力。发动机转速都是3000转的情况下6档的车速比3档快多了，风阻也成倍增加。所以3000转6档行驶时车辆所受到的行驶阻力更大，需要发动机输出更多的动力来保证车辆有足够的驱动力，而动力来自燃料燃烧产生的能量，所以油耗自然更高。这是最简单直观的分析方法。
从发动机工作原理来分析
发动机3000时3档行驶和6档行驶时发动机转速虽然相同但是发动机输出的扭矩却不同。6档需要更大的动力，因此同样3000转行驶中挂6档比3档需要更大的扭矩。我们平时开车都有这个经验：相同转速下档位越高油门需要踩得越重。而油门控制的是节气门开度，节气门开度越大进气量越多，喷油也越多，这样气缸里压缩的混合气越多，压力越大，点火后混合气燃烧提供的能量也越大，扭矩自然就提升了。因此虽然发动机转速都是3000转，但是6档行驶时节气门实际开度更大，进气量和喷油量都更大，因此瞬间喷油量肯定更高。
两种情况下行驶相同距离的平均油耗
前面我们所说的只是发动机工作瞬间的喷油量，但是考虑到百公里油耗的话情况也许就不同了，有些情况下即便发动机瞬间喷油量很高，但是行驶完指定距离所需要的时间更短，因此综合油耗反而不一定高。那么3000转挂3档和6档行驶时哪个百公里油耗更低呢？想要知道平均油耗不能只靠猜想，而要用实际数据说话，我们需要计算两种情况下行驶时发动机需要输出多少功率，然后才能具体判断。
现在假设有这样一辆车，自重1.6吨，风阻系数0.33，3000转时3档车速70公里/小时，6档车速166公里/小时，车辆正面投影面积2.355㎡，那么可以大概算出来该车以3档3000转匀速行驶发动机需要大约7.5千瓦输出功率。以6档3000转行驶时需要55千瓦输出功率。然后我们就可以来分析了。
上图是发动机的燃油消耗量曲线，又称为发动机万有特性曲线，工程师把发动机放在台架上，分别测试不同转速和输出扭矩下对应的燃油消耗率就得到了这张图，这张图里有很多等高线，等高线的意思就是发动机在这条线上任一点工况下运行其燃油消耗率是一样的。从图中可以找到以3档行驶时发动机的工况点在B点位置，此时的燃油消耗率在600-750克/千瓦时。而6档行驶时对应的发动机工况点在A点，对应的燃油消耗率在240-250克/千瓦时。很明显，对于上图这台发动机同样3000转的转速下6档行驶综合油耗更低。
